金屬學有機骨架材料的應(yīng)用與研究論文
摘要：金屬有機骨架（MOFs，metal—organic frameworks），是一種新型多孔材料，由多種的過渡金屬原子或金屬原子簇與多樣的有機配體的結(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)的無機材料相比，MOFs材料的孔隙率更高、比表面積更大、結(jié)構(gòu)規(guī)整、有機配體易修飾而功能化，其在氫氣存儲、燃料電池陰極催化劑、超級電容器等研究領(lǐng)域都展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用前景，MOFs材料已經(jīng)成為了熱門研究領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：MOFs；氫氣存儲；燃料電池陰極催化劑；超級電容器
1、氫氣存儲
氫氣因其來源廣泛、無污染而成為替代能源中的熱門領(lǐng)域。高壓儲氫存在安全隱患，而低溫液化儲氫的能耗高，因此當務(wù)之急是尋找一種能在常溫常壓下存儲氫氣的方法，而金屬有機框架因其多孔性、比表面積大、結(jié)構(gòu)可控等特點吸引了研究者的注意力。Liu等人[1]合成了GDMU—2，在77 K，1 bar的條件下儲氫量達到了2。16 wt%，可見在室溫下很難獲得儲氫性能高的MOFs材料。Wu等[2]探究了溫度對MOFs材料儲氫性能的影響，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)從77 K到117 K，MOFs材料的儲氫性能逐漸下降，更證實了在常溫下想制得高儲氫量的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，未來應(yīng)繼續(xù)朝著制備常溫常壓下具有高儲氫量的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。高溫熱解直接制備得到的催化劑，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)在高溫熱解制備多孔碳材料時可能被破壞的問題。實驗測得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，制備具有復雜結(jié)構(gòu)的碳材料可能不失為一種良好方法。
3、超級電容器
超級電容器（supercapacitor，SC）是一種介于充電電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能設(shè)備，功率密度高、充放電時間短、工作范圍溫度寬、循環(huán)壽命長，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)域是因為其自身的多孔性給電子和離子的傳輸帶來了方便，同時MOFs材料的結(jié)構(gòu)有序、活性位點分散、比表面積較大等條件都有利于能量轉(zhuǎn)換過程，MOFs一般被研究應(yīng)用于贗電容中。
Lee等人[6]合成了具有良好導電性能的Co—MOF，比電容達到了206。76 F/g。在1000次循環(huán)之后，Co基MOF材料的CV曲線沒有發(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，應(yīng)為贗電容。在循環(huán)5000次后，電容保留了起始值的65%，可見該Ni基MOF擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，制備具有高導電性的MOFs總是比較困難。比起制備具有導電性的MOFs材料，將MOF與其它材料相復合可能更具操作性。
4、總結(jié)與展望
綜上對金屬有機框架（MOFs）材料在氣體吸附及儲存、燃料電池催化劑、電容器等方面的應(yīng)用。充分證實了MOFs材料以自身獨特的結(jié)構(gòu)特征，屹立于當今科學研究的前沿，其發(fā)展前景不可小覷。
參考文獻：
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