中科大俞书宏：电纺金属无机骨架纳米粒子纤维及其衍生电催化剂

探究具有充足活性和历久性的无贵金属催化剂以代替基于铂的氧还原反响催化剂，是大范围贸易化的技能挑衅。具有超分子布局的金属有机框架(MOF)由多种金属离子和有机配体组成，具有特别的多孔布局。高孔隙率MOF可以在惰性氛围下不经任何活化，仅通过简洁的碳化作用可以转化为具有匀称杂原子掺杂的多孔碳，从而使MOF衍生的催化剂具有富厚的N-C或M-N-C活性位点。基于以上身分，MOF衍生的碳/金属(或金属氧化物)复合质料作为ORR的电催化剂引起了遍及的存眷。然而，因为高温碳化引起的孔隙布局塌陷，导致催化剂有用外貌积较低，O2或电解质在催化剂中扩散迟钝，大多数报道的MOF衍生催化剂的电化学活性都不如贸易Pt/C催化剂。另一方面，许多MOF衍生的电催化剂在ORR中每每存在历久性不敷和严峻失活的题目。是以，公道设计具有快速传质和稳健性能的多孔布局MOF源碳质料黑白常紧张的，但也是现在面对的一大挑衅。

克日，中国科学技能大学俞书宏团队在国际闻名期刊Nano Energy上颁发标题为“Electrospun metal-organic framework nanoparticle fibers and their derived electrocatalysts for oxygen reduction reaction”的论文。在该论文中，作者先容了一种使用电纺丝法制备BMZIFs电纺丝多孔碳质料的轻便要领。通过碳化MOFs纳米纤维，制备出具有高电催化性能的MOFs衍生Co/N掺杂的多孔碳纤维，由基于ZIF-8和ZIF-67的双金属沸石咪唑啉骨架纳米粒子(BMZIFs)的电纺帮助组装而成的。别的，该研究还体系地研究了组装和锌/钴比对电纺纤维衍生物氧还原反响性能的影响。

与非电纺样品相比，这种掺杂的多孔碳纳米纤维在没有任何蚀刻或其他活化历程的情形下体现出优秀的电催化性能，在雷同条件下，Zn:Co=5:1摩尔比的样品乃至体现出与贸易Pt/C催化剂相称的ORR性能。高催化性能归因于电纺纤维内的MOFs的麋集组装有利于使衍生物形成较高的外貌积以及匀称的N和Co掺杂。别的，一维多孔布局明显加强活性位点。

图1 (a)合成历程的表示图。ES-CNCo-n的TEM图像:(b)BMZIF-5，(c) ES-BMZIF-5和(d) ES-CNCo -5。(e) ES-CNCo-5的HAADF-STEM图像和元素漫衍。(f, g) ES-CNCo-5的HRTEM图像，(g)中的插图是CoNPs的放大HRTEM图像。(h)ES-CNCo-5的球差电子显微镜。

图2 (a) ES-CNCo-n粉末XRD图。(b) ES-CNCo-5的N2等温吸附线，插图是相应孔径漫衍(NLDFT)。(c, d) ES-CNCo-5的Co 2p和N 1sXPS谱图。

图3 (a) Pt/C和(b) ES-CNCo-5的CV曲线。(c) O₂饱和0.1 M KOH电解质中CNCo-100，CS-CNCo-100、ES-CNCo-100、ES-CNCo-5、ES-CNCo-0和Pt/C的LSV曲线。(d) (c)样品的半波电势。

图4 (a) 0.5 M H₂SO₄电解质中ES-CNCo-5的ORR性能。(a) ES-CNCo-5和(b) Pt/C的CV曲线。(c) ES-CNCo-5和Pt/c的LSV曲线。(d) ES-CNCo-5和(e) Pt/C的RRDE Voltam-Mograms。(f) ES-CNCo-5和Pt/C的过氧化物产率和电子转移数。注:在0.5 M H₂SO₄电解质中，参考电极按电极修饰要领转化为RHE刻度，效果为E(RHE) = E(Ag/AgCl) + 0.243V。

图5 ES-CNCo-5和Pt/C在(a, C) 0.1M KOH和(b, d) 0.5 M H₂SO₄的轮回历久性试验前后的LSV曲线。

综上所述，该研究证明白电纺丝技能可以乐成地组装BMZIFs，并可以得到具有条理孔和规章形状的纤维多孔碳质料。在碱性条件下，ES-CNCo-n体现出优秀的ORR活性，乃至可以与Pt/C催化剂相媲美，这是现在无贵金属催化剂中活性最高的一种。与Pt/C催化剂相比，具有精良的恒久稳健性和对甲醇的耐受性。是以，该研究所构建的低本钱MOFs电纺纤维催化剂可以作为其他高效的电催化剂利用，并有望应用于锂离子电池、超等电容器和水剖析等。

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