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  近日，合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院張傳玲副教授研究組利用靜電紡絲技術(shù)實現(xiàn)了雙金屬沸石咪唑啉框架納米顆粒（BMZIFs）的組裝，并進(jìn)一步制備出了兼具高催化活性和穩(wěn)定性的Co/N摻雜多孔碳纖維電催化劑。相關(guān)成果以“Electrospun metal-organic framework nanoparticle fibers and their derived electrocatalysts for oxygen reduction reaction”為題，發(fā)表在愛思唯爾出版社著名期刊《納米能源》上（Nano Energy 2018, 55, 226-233）。

圖一：靜電紡絲法制備MOF衍生多孔摻雜碳纖維的示意圖及形貌表征

  金屬有機框架（MOF）是由金屬離子和有機配體形成的多孔超分子，由于具有特殊的孔結(jié)構(gòu)和高比表面積，在氣體儲存、催化、分離及傳感等領(lǐng)域備受關(guān)注。特別是MOF顆粒不需要任何活化過程，直接在惰性氣體氛圍中經(jīng)高溫煅燒即可形成摻雜多孔碳材料，并具有大量的N-C或M-N-C活性位點。因此，MOF顆粒衍生碳材料在ORR催化中的性能研究成為近年來的熱點之一。然而，高溫碳化過程經(jīng)常會導(dǎo)致MOF顆粒多孔結(jié)構(gòu)坍塌，導(dǎo)致催化有效面積的降低，O2或電解質(zhì)在催化劑中擴散緩慢，從而降低了衍生材料的催化活性和穩(wěn)定性。因此，合理設(shè)計具有快速傳質(zhì)和穩(wěn)定性的MOF衍生電催化劑非常重要，也是目前面臨的一大挑戰(zhàn)。

  該研究團隊通過簡單的直接紡絲法將BMZIFs組裝在聚丙烯腈（PAN）纖維內(nèi)，并使其緊密排列。然后通過惰性氣體條件下高溫煅燒，制備出了Co/N摻雜的多孔碳纖維（ES-CNCo），并通過調(diào)控BMZIFs中Zn/Co比例和煅燒溫度進(jìn)行了組分和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由于BMZIFs在電紡纖維內(nèi)緊密排列，衍生的ES-CNCo具有較高的比表面積和孔隙率以及大量的Co/N摻雜。另外，纖維的一維多孔結(jié)構(gòu)有利于電子的傳輸和活性位點的暴露，PAN衍生的碳層進(jìn)一步保證了催化劑在循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，與非紡絲樣品相比，雖然材料組分相同，但ES-CNCo表現(xiàn)出更好的電催化性能，特別是摩爾比Zn：Co = 5:1的樣品具有與商業(yè)Pt/C催化劑相媲美的電催化性能，堿性條件下目標(biāo)樣更是表現(xiàn)出比Pt/C催化劑更好的催化穩(wěn)定性和甲醇耐受性。

圖二：堿性條件下樣品的電催化性能。

  這項研究為今后利用靜電紡絲技術(shù)設(shè)計和構(gòu)筑具有高電化學(xué)性能的MOF衍生摻雜碳材料提供了新的途徑，所制備材料在催化、超級電容器、鋰離子電池及水分解等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551830747X