付云松+楊秋蓉+朱林+孫方華

摘要：金屬有機(jī)骨架（MOFs，metal-organic frameworks），是一種新型多孔材料，由多種的過(guò)渡金屬原子或金屬原子簇與多樣的有機(jī)配體的結(jié)合，使得MOFs材料的結(jié)構(gòu)與性能呈現(xiàn)出極其豐富的可能性。與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)材料相比，MOFs材料的孔隙率更高、比表面積更大、結(jié)構(gòu)規(guī)整、有機(jī)配體易修飾而功能化，其在氫氣存儲(chǔ)、燃料電池陰極催化劑、超級(jí)電容器等研究領(lǐng)域都展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用前景，MOFs材料已經(jīng)成為了熱門(mén)研究領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：MOFs；氫氣存儲(chǔ)；燃料電池陰極催化劑；超級(jí)電容器

1、氫氣存儲(chǔ)

氫氣因其來(lái)源廣泛、無(wú)污染而成為替代能源中的熱門(mén)領(lǐng)域。高壓儲(chǔ)氫存在安全隱患，而低溫液化儲(chǔ)氫的能耗高，因此當(dāng)務(wù)之急是尋找一種能在常溫常壓下存儲(chǔ)氫氣的方法，而金屬有機(jī)框架因其多孔性、比表面積大、結(jié)構(gòu)可控等特點(diǎn)吸引了研究者的注意力。Liu等人[1]合成了GDMU-2，在77 K，1 bar的條件下儲(chǔ)氫量達(dá)到了2.16 wt%，可見(jiàn)在室溫下很難獲得儲(chǔ)氫性能高的MOFs材料。Wu等[2]探究了溫度對(duì)MOFs材料儲(chǔ)氫性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)從77 K到117 K，MOFs材料的儲(chǔ)氫性能逐漸下降，更證實(shí)了在常溫下想制得高儲(chǔ)氫量的MOFs是很困難的。但是鑒于其多孔性、比表面積大、結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)應(yīng)繼續(xù)朝著制備常溫常壓下具有高儲(chǔ)氫量的MOFs材料努力。

2、燃料電池催化劑

眾所周知，金屬鉑作為氧還原（ORR）最好的催化劑，由于其成本高而且儲(chǔ)量少，限制了燃料電池的推廣使用。許多研究著眼于制備成本低廉的非Pt基催化劑，其中MOFs材料以其良好的性質(zhì)吸引了許多研究者的注意。

Wang等人[3]探究了不同因素對(duì)催化劑性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著熱解溫度的升高，起始電位和半波電位都增大，同時(shí)飽和電流密度也增大，在酸性、堿性條件下的ORR催化活性都有所升高。高溫?zé)峤庵苯又苽涞玫降拇呋瘎?，往往是多孔碳材料。而Xia等人[4]制備出了一種新型的催化劑Co@Co3O4@C-CM，該種催化劑具有新穎的核殼結(jié)構(gòu)，這種核殼結(jié)構(gòu)解決了MOF孔穴結(jié)構(gòu)在高溫?zé)峤庵苽涠嗫滋疾牧蠒r(shí)可能被破壞的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)測(cè)得Co@Co3O4@C-CM的ORR起始電位為0.93 V，半波電位為0.81 V，這與商業(yè)用Pt/C催化劑的性能十分接近。因此，制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳材料可能不失為一種良好方法。

3、超級(jí)電容器

超級(jí)電容器（supercapacitor，SC）是一種介于充電電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能設(shè)備，功率密度高、充放電時(shí)間短、工作范圍溫度寬、循環(huán)壽命長(zhǎng)，具有良好的應(yīng)用前景[9]。MOFs材料被研究者應(yīng)用于SC領(lǐng)域是因?yàn)槠渥陨淼亩嗫仔越o電子和離子的傳輸帶來(lái)了方便，同時(shí)MOFs材料的結(jié)構(gòu)有序、活性位點(diǎn)分散、比表面積較大等條件都有利于能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，MOFs一般被研究應(yīng)用于贗電容中。

Lee等人[6]合成了具有良好導(dǎo)電性能的Co-MOF，比電容達(dá)到了206.76 F/g。在1000次循環(huán)之后，Co基MOF材料的CV曲線沒(méi)有發(fā)生明顯變化，這證明了該種MOF材料擁有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。Kang等人[7]合成了Ni基MOF，Ni3（btc）2·12H2O，并繪制出Ni基MOF的CV曲線，其CV曲線特征與EDLCs相差較遠(yuǎn)，應(yīng)為贗電容。在循環(huán)5000次后，電容保留了起始值的65%，可見(jiàn)該Ni基MOF擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，制備具有高導(dǎo)電性的MOFs總是比較困難。比起制備具有導(dǎo)電性的MOFs材料，將MOF與其它材料相復(fù)合可能更具操作性。

4、總結(jié)與展望

綜上對(duì)金屬有機(jī)框架（MOFs）材料在氣體吸附及儲(chǔ)存、燃料電池催化劑、電容器等方面的應(yīng)用。充分證實(shí)了MOFs材料以自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，屹立于當(dāng)今科學(xué)研究的前沿，其發(fā)展前景不可小覷。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉建國(guó)， 孫公權(quán). 燃料電池概述[J]. 物理， 2004， 33（2）：79?84.

[2]吳明， 王圣平， 張運(yùn)豐等. 儲(chǔ)氫材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào)， 2011， 39（7）：1053?1060.

[3]Wang X， Zhou J， Fu H， et al. MOF derived catalysts for electrochemical oxygen reduction[J]. Journal of Materials Chemistry A， 2014， 2（34）：14064?14070.

[4]Xia W， Zou R， An L， et al. A metal-organic framework route to in situ encapsulation of Co@Co3O4@C core@bishell nanoparticles into a highly ordered porous carbon matrix for oxygen reduction[J]. Energy & Environmental Science， 2014， 8（2）：568?576.

[5]Lee D Y， Yoon S J， Shrestha N K， et al. Unusual energy storage and charge retention in Co-based metal-organic-frameworks [J]. Microporous & Mesoporous Materials， 2012， 153（3）：163?165.

[6]Kang L， Sun S X， Kong L B， et al. Investigating metal-organic framework as a new pseudo-capacitive material for supercapacitors[J]. Chinese Chemical Letters， 2014， 25（6）：957?961.

通訊作者：孫方華endprint