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  近日，合肥工業大學化學與化工學院張傳玲副教授研究組利用靜電紡絲技術實現了雙金屬沸石咪唑啉框架納米顆粒（BMZIFs）的組裝，并進一步制備出了兼具高催化活性和穩定性的Co/N摻雜多孔碳纖維電催化劑。相關成果以“Electrospun metal-organic framework nanoparticle fibers and their derived electrocatalysts for oxygen reduction reaction”為題，發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構和高比表面積，在氣體儲存、催化、分離及傳感等領域備受關注。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，高溫碳化過程經常會導致MOF顆粒多孔結構坍塌，導致催化有效面積的降低，O2或電解質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定性。因此，合理設計具有快速傳質和穩定性的MOF衍生電催化劑非常重要，也是目前面臨的一大挑戰。

  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，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），并通過調控BMZIFs中Zn/Co比例和煅燒溫度進行了組分和結構優化。由于BMZIFs在電紡纖維內緊密排列，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，纖維的一維多孔結構有利于電子的傳輸和活性位點的暴露，PAN衍生的碳層進一步保證了催化劑在循環過程中的結構穩定性。研究結果表明，與非紡絲樣品相比，雖然材料組分相同，但ES-CNCo表現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Pt/C催化劑相媲美的電催化性能，堿性條件下目標樣更是表現出比Pt/C催化劑更好的催化穩定性和甲醇耐受性。

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設計和構筑具有高電化學性能的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域具有重要的應用前景。

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