【IRMOF-3碳化】NH2功能化MOF-5衍生的铁碳纳米材料在氧还原中的N-锚定效应

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摘要：
温州大学钱金杰&昭通学院李启彭老师等报道的本篇文章（Chem. Commun., 2024）中通过将铁源引入NH2-MOF-5，然后进行热解，制备出一种多孔金属-碳催化剂（MOF5A-Fe@NC）。该催化剂具有显著的氮含量、高度石墨化和丰富的Fe-Nx位点，这些特性有助于提高氧还原性能。MOF5A-Fe@NC表现出正的起始电位（0.972 V）、较大的限制电流密度（4.815 mA cm^-2）和较小的Tafel斜率（58.7 mV dec^-1），并在10小时后保持了96.3%的高电流保持率。该研究为开发清洁、可持续的能源技术提供了一种高效的氧还原催化剂。

研究背景：
1. 化石燃料的过度依赖导致了全球气候破坏、环境污染和能源危机。因此，开发清洁和可持续的能源技术变得日益迫切。
2. 电化学能源转换和储存系统，如燃料电池和金属-空气电池，因其效率、低排放和高能量密度而受到关注。这些系统的性能在很大程度上取决于氧还原反应（ORR）。
3. 作者提出了一种通过热解NH2-MOF-5制备多孔金属-碳催化剂的新方法。与传统的Pt基催化剂相比，该催化剂具有成本低、性能高和良好的耐久性，为大规模应用提供了可能性。

实验部分：
1. MOF-5-NH2的合成实验：
   - 将一定量的2-氨基对苯二甲酸(H2BDC-NH2)和锌离子混合在溶剂中，通过溶剂热合成法制备MOF-5-NH2。
   - 使用粉末X射线衍射(PXRD)对MOF-5-NH2进行晶体结构分析，确认其成功合成。
2. MOF5A-Fe@NC的制备实验：
   - 将合成的MOF-5-NH2与铁源混合，然后在高温条件下进行热解处理。
   - 热解产物经过洗涤和干燥，得到最终的MOF5A-Fe@NC催化剂。
3. 氧还原反应(ORR)性能测试实验：
   - 使用旋转圆盘电极(rotating disk electrode, RDE)技术进行电化学实验，测试MOF5A-Fe@NC的ORR性能。
   - 通过循环伏安法(CV)和线性扫描伏安法(LSV)获取MOF5A-Fe@NC的起始电位、半波电位和限制扩散电流密度。
4. 稳定性和甲醇耐受性测试实验：
   - 在持续电解10小时后，测试MOF5A-Fe@NC的电流保持率。
   - 在加入甲醇的条件下，评估MOF5A-Fe@NC的甲醇耐受性。

分析测试：
1. 粉末X射线衍射(PXRD)分析：
   - MOF-5-NH2的PXRD模式显示了与模拟模式(CCDC#938392)匹配的峰，证实了其成功合成。
2. 扫描电子显微镜(SEM)分析：
   - SEM图像显示MOF-5-NH2具有约2.2 mm大小的立方形态。
3. 热重分析(TGA)：
   - TGA曲线显示MOF-5-NH2在900°C时重量明显下降，适合作为热解前驱体。
4. 比表面积和孔隙结构分析：
   - MOF5A-Fe@NC的BET比表面积为xxx m² g^-1，孔径分布主要在0.5至2 nm范围内。
5. X射线光电子能谱(XPS)分析：
   - XPS分析显示MOF5A-Fe@NC具有丰富的Fe-Nx位点，其中Fe-Nx的结合能为709.4 eV和723.2 eV。
6. 电化学测试：
   - MOF5A-Fe@NC的起始电位(Eonset)为0.972 V，半波电位(E1/2)为0.855 V，限制扩散电流密度(JL)为4.815 mA cm^-2。
   - Tafel斜率为58.7 mV dec^-1，表明较快的电子转移速率。
7. 稳定性和甲醇耐受性测试：
   - 经过10小时的连续电解，MOF5A-Fe@NC保持了96.3%的初始电流密度。
   - 在甲醇存在条件下，电流保持率为90.1%，显示出良好的甲醇耐受性。

总结：
本文成功开发了一种基于NH2-MOF-5衍生的铁-碳纳米材料的氧还原催化剂。MOF5A-Fe@NC表现出优异的氧还原性能，具有较高的起始电位、限制电流密度和较低的Tafel斜率，同时在长期电解过程中保持了高稳定性和甲醇耐受性。这些特性使得MOF5A-Fe@NC成为一种有潜力的商业Pt/C催化剂替代品。

展望：
本研究为氧还原催化剂的开发提供了新的方向。未来的工作可以集中在以下几个方面：
- 进一步优化MOF材料的结构，提高其在实际燃料电池中的稳定性和耐久性。
- 探索不同金属源和氮源对催化剂性能的影响，以实现更高效的氧还原反应。
- 研究MOF衍生材料在其他电化学能源技术中的应用，如金属-空气电池和氢燃料电池。
- 对MOF5A-Fe@NC进行长期稳定性测试，评估其在实际应用中的性能衰减情况。

The N-anchoring effect in NH2-functionalized MOF-derived iron–carbon nanomaterials for oxygen reduction†
文章作者：Yanqiong Shen, Lujiao Mao, Rong Lin, Qipeng Li* and Jinjie Qian*
DOI：10.1039/D4CC02873B
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/cc/d4cc02873b

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