基于金属有机框架化合物纳米电催化剂的研究进展

doi:10.3866/PKU.WHXB201609143

物理化学学报 >> 2017, Vol. 33 >> Issue (1): 149-164.doi: 10.3866/PKU.WHXB201609143

基于金属有机框架化合物纳米电催化剂的研究进展

玄翠娟,王杰,朱静(),王得丽*

华中科技大学化学与化工学院,能量转换与存储材料化学教育部重点实验室,材料化学与服役失效湖北省重点实验室,武汉430074

收稿日期:2016-07-25 发布日期:2016-12-29
通讯作者: 王得丽 E-mail:wangdl81125@hust.edu.cn
作者简介:玄翠娟, 1990年生。2012年在滨州学院获工学学士学位。2015年在西北大学获理学硕士学位。2015年至今,在华中科技大学攻读博士学位,主要研究方向为基于金属有机框架化合物的制备及其在先进电化学能量储存和转化装置中的应用研究|王杰, 1988年生。2012年在青岛农业大学获理学学士学位。2012年至今,在华中科技大学攻读博士学位,主要研究方向为基于三维纳米材料的制备及其在先进电化学能量储存和转化装置中的应用研究|朱静, 1992年生。2014年在华中科技大学获工学学士学位。2014年至今,在华中科技大学化学与化工学院攻读硕士学位。主要研究方向为铂基金属间化合物纳米催化剂的制备及其在燃料电池中的应用|王得丽, 1981年生。2008年在武汉大学获博士学位。2008-2009年在新加坡南洋理工大学工作。2009-2012年美国康奈尔大学化学学院、先进能源材料研究中心博士后。2012年底入职华中科技大学化学与化工学院,教授中组部"青年千人计划"和教育部"新世纪优秀人才支持计划"获得者。主要从事先进电化学能源与环境材料方面的研究工作
基金资助:
国家自然科学基金(21306060);国家自然科学基金(21573083)

Recent Progress of Metal Organic Frameworks-Based Nanomaterials for Electrocatalysis

Cui-Juan XUAN,Jie WANG,Jing ZHU(),De-Li WANG*

Key Laboratory of Material Chemistry for Energy Conversion and Storage (Huazhong University of Science and Technology), Ministry of Education, Hubei Key Laboratory of Material Chemistry and Service Failure, School of Chemistry and Chemical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, P. R. China

Received:2016-07-25 Published:2016-12-29
Contact: De-Li WANG E-mail:wangdl81125@hust.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21306060);the National Natural Science Foundation of China(21573083)

摘要/Abstract

摘要：

金属有机框架化合物具有比表面积大、孔隙率高、结构有序可控等特点，近年来作为电催化材料在电化学能源储存和转化应用中备受关注。本文从金属有机框架化合物作为前驱体制备电催化剂的独特优点入手，总结了目前该类材料在电催化领域的最新研究进展，并对其今后的发展趋势以及面临的机遇和挑战进行了简单的展望。

关键词: 金属有机框架化合物, 电催化, 氧还原反应, 析氧反应, 析氢反应

Abstract:

Metal organic frameworks (MOFs) have attracted tremendous attention in electrochemical energy storage and conversion because of their large surface area, high porosity, ordered structure and the tailorability of the structure. In this paper, the unique advantages of synthesizing electrocatalysts from MOFs are introduced. Then, the latest research progress of MOFs derived electrocatalysts in electrochemical energy conversion is mainly summarized. Finally, the application prospects, opportunities and challenges of MOF-based materials are briefly presented to provide an outlook for future research directions.

Key words: Metal organic frameworks, Electrocatalysis, Oxygen reduction reaction, Oxygen evolution reaction, Hydrogen evolution reaction

MSC2000:

O646

玄翠娟,王杰,朱静,王得丽. 基于金属有机框架化合物纳米电催化剂的研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 149-164.

Cui-Juan XUAN,Jie WANG,Jing ZHU,De-Li WANG. Recent Progress of Metal Organic Frameworks-Based Nanomaterials for Electrocatalysis[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(1): 149-164.

参考文献

1	James S. L. Chem. Soc. Rev 2003, 32, 276.
2	Yaghi O. M. ; Li G. ; Li H. Nature 1995, 378, 703.
3	Yaghi O. ; Li H. J.Am. Chem. Soc 1995, 117, 10401.
4	Meek S. T. ; Greathouse J. A. ; Allendorf M. D. Adv. Mater 2011, 23, 249.
5	Millward A. R. ; Yaghi O. M. J.Am. Chem. Soc 2005, 127, 17998.
6	Rodenas T. ; Luz I. ; Prieto G. ; Seoane B. ; Miro H. ; Corma A. ; Kapteijn F. ; i Xamena F. X. L. ; Gascon J. Nat. Mater 2015, 14, 48.
7	Taylor K. M. ; Rieter W. J. ; Lin W. J.Am. Chem. Soc 2008, 130, 14358.
8	Hu Z. ; Deibert B. J. ; Li J. Chem. Soc. Rev 2014, 43, 5815.
9	Lee J. ; Farha O. K. ; Roberts J. ; Scheidt K. A. ; Nguyen S.T. ; Hupp J. T. Chem. Soc. Rev 2009, 38, 1450.
10	Rosi N. L. ; Eckert J. ; Eddaoudi M. ; Vodak D. T. ; Kim J. ; O'Keeffe M. ; Yaghi O. M. Science 2003, 300, 1127.
11	Chen B. ; Xiang S. ; Qian G. Acc. Chem. Res 2010, 43, 1115.
12	Wu Z. ; Wang J. ; Han L. ; Lin R. ; Liu H. ; Xin H. L. ; Wang D. Nanoscale 2016, 8, 4681.
13	Xia B. Y. ; Yan Y. ; Li N. ; Wu H. B. ; Lou X.W. D. ; Wang X. Nat. Energy 2016, 1, 15006.
14	Morozan A. ; Jaouen F. Energy Environ. Sci 2012, 5, 9269.
15	You B. ; Jiang N. ; Sheng M. ; Drisdell W. S. ; Yano J. ; Sun Y. ACS Catal 2015, 5, 7068.
16	Xia W. ; Zou R. ; An L. ; Xia D. ; Guo S. Energy Environ. Sci 2015, 8, 568.
17	Wu D. ; Guo Z. ; Yin X. ; Pang Q. ; Tu B. ; Zhang L. ; Wang Y. G. ; Li Q. Adv. Mater 2014, 26, 3258.
18	Ma T. Y. ; Dai S. ; Jaroniec M. ; Qiao S. Z. J.Am. Chem. Soc 2014, 136, 13925.
19	Hu H. ; Guan B. ; Xia B. ; Lou X.W. J.Am. Chem. Soc 2015, 137, 5590.
20	Yu X. Y. ; Yu L. ; Wu H. B. ; Lou X.W. D. Angew. Chem. Int. Ed 2015, 54, 5331.
21	Zhang L. ; Wu H. B. ; Madhavi S. ; Hng H. H. ; Lou X.W. J.Am. Chem. Soc 2012, 134, 17388.
22	Wang L. ; Han Y. ; Feng X. ; Zhou J. ; Qi P. ; Wang B. Coord. Chem. Rev 2016, 307, 361.
23	Hu L. ; Chen Q. Nanoscale 2014, 6, 1236.
24	Dai L. ; Xue Y. ; Qu L. ; Choi H. J. ; Baek J. B. Chem. Rev 2015, 115, 4823.
25	Zou X. ; Zhang Y. Chem. Soc. Rev 2015, 44, 5148.
26	Burke M. S. ; Enman L. J. ; Batchellor A. S. ; Zou S. ; Boettcher S.W. Chem. Mater 2015, 27, 7549.
27	Tang C. ; Wang H. F. ; Zhu X. L. ; Li B. Q. ; Zhang Q. Part. Part. Syst. Charact. 2016.
28	Long J. R. ; Yaghi O. M. Chem. Soc. Rev 2009, 38, 1213.
29	Rowsell J. L. ; Yaghi O. M. Microporous Mesoporous Mat 2004, 73, 3.
30	Mahmood A. ; Guo W. ; Tabassum H. ; Zou R. Adv. Energy Mater 2016, 28, 6313.
31	Huang Z. F. ; Song J. ; Li K. ; Tahir M. ; Wang Y. T. ; Pan L. ; Wang L. ; Zhang X. ; Zou J. J. J.Am. Chem. Soc 2016, 138, 1359.
32	Wang D.W. ; Su D. Energy Environ. Sci 2014, 7, 576.
33	Wang J. ; Wu Z. X. ; Han L. L. ; Liu Y. Y. ; Guo J. P. ; Xin H.L. ; Wang D. L. Chin. Chem. Lett 2016, 27, 597.
34	Wang D. ; Xin H. L. ; Hovden R. ; Wang H. ; Yu Y. ; Muller D.A. ; DiSalvo F. J. ; Abru?a H. D. Nat. Mater 2013, 12, 81.
35	Wang J. ; Wu Z. ; Han L. ; Lin R. ; Xin H. L. ; Wang D. ChemCatChem 2016, 8, 736.
36	Zhang L. ; Wang X. ; Wang R. ; Hong M. Chem. Mater 2015, 27, 7610.
37	Zhang P. ; Sun F. ; Xiang Z. ; Shen Z. ; Yun J. ; Cao D. Energy Environ. Sci 2014, 7, 442.
38	Zhang L. ; Su Z. ; Jiang F. ; Yang L. ; Qian J. ; Zhou Y. ; Li W. ; Hong M. Nanoscale 2014, 6, 6590.
39	Zhong H. X. ; Wang J. ; Zhang Y.W. ; Xu W. L. ; Xing W. ; Xu D. ; Zhang Y. F. ; Zhang X. B. Angew. Chem. Int. Ed 2014, 53, 14235.
40	Ge L. ; Yang Y. ; Wang L. ; Zhou W. ; De Marco R. ; Chen Z. ; Zou J. ; Zhu Z. Carbon 2015, 82, 417.
41	Dai L. Acc. Chem. Res 2012, 46, 31.
42	Yu D. ; Nagelli E. ; Du F. ; Dai L. J.Phys. Chem. Lett 2010, 1, 2165.
43	Li J. S. ; Li S. L. ; Tang Y. J. ; Li K. ; Zhou L. ; Kong N. ; Lan Y. Q. ; Bao J. C. ; Dai Z. H. Sci. Rep 2014, 4, 5130.
44	Zheng Y. ; Jiao Y. ; Jaroniec M. ; Jin Y. ; Qiao S. Z. Small 2012, 8, 3550.
45	Choi C. H. ; Park S. H. ; Woo S. I. ACS Nano 2012, 6, 7084.
46	Liang J. ; Jiao Y. ; Jaroniec M. ; Qiao S. Z. Angew. Chem. Int. Ed 2012, 51, 11496.
47	Xu J. ; Dong G. ; Jin C. ; Huang M. ; Guan L. ChemSusChem 2013, 6, 493.
48	Sevilla M. ; Fuertes A. B. Carbon 2006, 44, 468.
49	Wen Z. ; Ci S. ; Hou Y. ; Chen J. Angew. Chem. Int. Ed 2014, 53, 6496.
50	Su Q. ; Sun J. ; Wang J. ; Yang Z. ; Cheng W. ; Zhang S. Catal. Sci. Technol 2014, 4, 1556.
51	Gao S. ; Li G. D. ; Liu Y. ; Chen H. ; Feng L. L. ; Wang Y. ; Yang M. ; Wang D. ; Wang S. ; Zou X. Nanoscale 2015, 7, 2306.
52	Wu G. ; Santandreu A. ; Kellogg W. ; Gupta S. ; Ogoke O. ; Zhang H. ; Wang H. L. ; Dai L. Nano Energy 2016.
53	Chen Y. Z. ; Wang C. ; Wu Z. Y. ; Xiong Y. ; Xu Q. ; Yu S. H. ; Jiang H. L. Adv. Mater 2015, 27, 5010.
54	Tang H. ; Cai S. ; Xie S. ; Wang Z. ; Tong Y. ; Pan M. ; Lu X. Adv. Sci 2016, 3, 1500265.
55	Li Q. ; Xu P. ; Gao W. ; Ma S. ; Zhang G. ; Cao R. ; Cho J. ; Wang H. L. ; Wu G. Adv. Mater 2014, 26, 1378.
56	Li J. S. ; Li S. L. ; Tang Y. J. ; Han M. ; Dai Z. H. ; Bao J. C. ; Lan Y. Q. Chem. Commun 2015, 51, 2710.
57	Wen Z. ; Ci S. ; Zhang F. ; Feng X. ; Cui S. ; Mao S. ; Luo S. ; He Z. ; Chen J. Adv. Mater 2012, 24, 1399.
58	Wang X. ; Zhang H. ; Lin H. ; Gupta S. ; Wang C. ; Tao Z. ; Fu H. ; Wang T. ; Zheng J. ; Wu G. Nano Energy 2016, 25, 110.
59	Ganesan P. ; Prabu M. ; Sanetuntikul J. ; Shanmugam S. ACS Catal 2015, 5, 3625.
60	Wang H. ; Liang Y. ; Li Y. ; Dai H. Angew. Chem. Int. Ed 2011, 50, 10969.
61	Mahmood N. ; Zhang C. ; Jiang J. ; Liu F. ; Hou Y. Chem. Eur. J 2013, 19, 5183.
62	Wu G. ; Chung H. T. ; Nelson M. ; Artyushkova K. ; More K.L. ; Johnston C. M. ; Zelenay P. ECS Trans 2011, 41, 1709.
63	Zhou Y. X. ; Yao H. B. ; Wang Y. ; Liu H. L. ; Gao M. R. ; Shen P. K. ; Yu S. H. Chem. Eur. J 2010, 16, 12000.
64	Bai F. ; Huang H. ; Hou C. ; Zhang P. New J.Chem 2016, 40, 1679.
65	Sidik R. A. ; Anderson A. B. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 936.
66	Zhu Q. L. ; Xia W. ; Akita T. ; Zou R. ; Xu Q. Adv. Mater 2016, 28, 6391.
67	Hu H. ; Han L. ; Yu M. ; Wang Z. ; Lou X.W. D. Energy Environ. Sci 2016, 9, 107.
68	Feng J. X. ; Xu H. ; Dong Y. T. ; Ye S. H. ; Tong Y. X. ; Li G.R. Angew. Chem 2016, 128, 3758.
69	Zhou X. ; Shen X. ; Xia Z. ; Zhang Z. ; Li J. ; Ma Y. ; Qu Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 20322.
70	Li Y. ; Hasin P. ; Wu Y. Adv. Mater 2010, 22, 1926.
71	Rosen J. ; Hutchings G. S. ; Jiao F. J.Am. Chem. Soc 2013, 135, 4516.
72	Chaikittisilp W. ; Torad N. L. ; Li C. ; Imura M. ; Suzuki N. ; Ishihara S. ; Ariga K. ; Yamauchi Y. Chem. Eur. J 2014, 20, 4217.
73	Feng Y. ; Yu X. Y. ; Paik U. Chem. Commun 2016, 52, 6269.
74	Jiao L. ; Zhou Y. X. ; Jiang H. L. Chem. Sci 2016, 7, 1690.
75	You B. ; Jiang N. ; Sheng M. ; Gul S. ; Yano J. ; Sun Y. Chem. Mater 2015, 27, 7636.
76	Liu M. ; Li J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 2158.
77	Yu X. Y. ; Feng Y. ; Guan B. ; Lou X.W. D. ; Paik U. Energy Environ. Sci 2016, 9, 1246.
78	Chen B. ; Li R. ; Ma G. ; Gou X. ; Zhu Y. ; Xia Y. Nanoscale 2015, 7, 20674.
79	Hou Y. ; Wen Z. ; Cui S. ; Ci S. ; Mao S. ; Chen J. Adv. Funct. Mater 2015, 25, 872.
80	Liu S. ; Zhang H. ; Zhao Q. ; Zhang X. ; Liu R. ; Ge X. ; Wang G. ; Zhao H. ; Cai W. Carbon 2016, 106, 74.
81	Zheng Y. ; Jiao Y. ; Jaroniec M. ; Qiao S. Z. Angew. Chem. Int. Ed 2015, 54, 52.
82	Chen W. F. ; Muckerman J. T. ; Fujita E. Chem. Commun 2013, 49, 8896.
83	Gong M. ; Wang D. Y. ; Chen C. C. ; Hwang B. J. ; Dai H. Nano Res 2016, 9, 28.
84	Jaramillo T. F. ; J?rgensen K. P. ; Bonde J. ; Nielsen J. H. ; Horch S. ; Chorkendorff I. Science 2007, 317, 100.
85	Zeng M. ; Li Y. J.Mater. Chem. A 2015, 3, 14942.
86	Hao J. ; Yang W. ; Zhang Z. ; Tang J. Nanoscale 2015, 7, 11055.
87	Xing Z. ; Liu Q. ; Asiri A. M. ; Sun X. Adv. Mater 2014, 26, 5702.
88	Deng C. ; Ding F. ; Li X. ; Guo Y. ; Ni W. ; Yan H. ; Sun K. ; Yan Y. M. J.Mater. Chem. A 2016, 4, 59.
89	Jiang N. ; You B. ; Sheng M. ; Sun Y. Angew. Chem. Int. Ed 2015, 54, 6251.
90	Popczun E. J. ; Read C. G. ; Roske C.W. ; Lewis N. S. ; Schaak R. E. Angew. Chem 2014, 126, 5531.
91	Huang Z. ; Chen Z. ; Chen Z. ; Lv C. ; Humphrey M. G. ; Zhang C. Nano Energy 2014, 9, 373.
92	Popczun E. J. ; Roske C.W. ; Read C. G. ; Crompton J. C. ; McEnaney J. M. ; Callejas J. F. ; Lewis N. S. ; Schaak R. E. J.Mater. Chem. A 2015, 3, 5420.
93	Han A. ; Jin S. ; Chen H. ; Ji H. ; Sun Z. ; Du P. J.Mater. Chem. A 2015, 3, 1941.
94	Wang X. ; Kolen'ko Y. V. ; Liu L. Chem. Commun 2015, 51, 6738.
95	Xu M. ; Han L. ; Han Y. ; Yu Y. ; Zhai J. ; Dong S. J.Mater. Chem. A 2015, 3, 21471.
96	Feng Y. ; Yu X. Y. ; Paik U. Chem. Commun 2016, 52, 1633.
97	Peng S. ; Li L. ; Han X. ; Sun W. ; Srinivasan M. ; Mhaisalkar S. G. ; Cheng F. ; Yan Q. ; Chen J. ; Ramakrishna S. Angew. Chem 2014, 126, 12802.
98	Ye G. ; Gong Y. ; Lin J. ; Li B. ; He Y. ; Pantelides S. T. ; Zhou W. ; Vajtai R. ; Ajayan P. M. Nano Lett 2016, 16, 1097.
99	Kong D. ; Cha J. J. ; Wang H. ; Lee H. R. ; Cui Y. Energy Environ. Sci 2013, 6, 3553.
100	Faber M. S. ; Lukowski M. A. ; Ding Q. ; Kaiser N. S. ; Jin S. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 21347.
101	Bonde J. ; Moses P. G. ; Jaramillo T. F. ; N?rskov J. K. ; Chorkendorff I. Faraday Discuss 2009, 140, 219.
102	Staszak-Jirkovsky J. ; Malliakas C. D. ; Lopes P. P. ; Danilovic N. ; Kota S. S. ; Chang K. C. ; Genorio B. ; Strmcnik D. ; Stamenkovic V. R. ; Kanatzidis M. G. Nat. Mater 2016, 15, 197.
103	Weng Z. ; Liu W. ; Yin L. C. ; Fang R. ; Li M. ; Altman E. I. ; Fan Q. ; Li F. ; Cheng H. M. ; Wang H. Nano Lett 2015, 15, 7704.
104	Wu H. B. ; Xia B. Y. ; Yu L. ; Yu X. Y. ; Lou X.W. D. Nat. Commun 2015, 6, 6512.
105	Qin J. S. ; Du D. Y. ; Guan W. ; Bo X. J. ; Li Y. F. ; Guo L. P. ; Su Z. M. ; Wang Y. Y. ; Lan Y. Q. ; Zhou H. C. J.Am. Chem. Soc 2015, 137, 7169.
106	Dai X. ; Liu M. ; Li Z. ; Jin A. ; Ma Y. ; Huang X. ; Sun H. ; Wang H. ; Zhang X. J.Phys. Chem. C 2016, 120, 12539.

[1]	崔新江, 石峰. 基于单原子催化剂的二氧化碳选择性转化[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5): 2006080 -0 .
[2]	高敦峰, 魏鹏飞, 李合肥, 林龙, 汪国雄, 包信和. 用于二氧化碳电催化还原的电解器研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5): 2009021 -0 .
[3]	李琳, 沈水云, 魏光华, 章俊良. 基于血红素衍生的中空非贵金属催化剂氧还原反应电催化活性[J]. 物理化学学报, 2021, 37(3): 1911011 -0 .
[4]	谢安, 潘中华, 骆耿耿. 一类受生物启发的双膦双硒镍配合物的合成及其电催化产氢性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(3): 1910058 -0 .
[5]	周远, 韩娜, 李彦光. 钯基纳米材料电化学还原二氧化碳研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(9): 2001041 -0 .
[6]	杨天怡, 崔铖, 戎宏盼, 张加涛, 王定胜. 铂基金属间化合物纳米晶的最新进展：可控合成与电催化应用[J]. 物理化学学报, 2020, 36(9): 2003047 -0 .
[7]	涂昆芳, 李广, 姜艳霞. 温度对乙醇电催化氧化的影响[J]. 物理化学学报, 2020, 36(8): 1906026 -0 .
[8]	方波,冯立纲. 纳米颗粒结合ZIF-67衍生的PtCo-NC催化剂用于醇类燃料电氧化[J]. 物理化学学报, 2020, 36(7): 1905023 -0 .
[9]	唐小龙,张盛辉,于婧,吕春晓,迟雨晴,孙君伟,宋誉,袁丁,马兆立,张立学. 多孔氮化钛载体上铂催化剂的原子层沉积制备及其催化氧气还原性能[J]. 物理化学学报, 2020, 36(7): 1906070 -0 .
[10]	周威,郭君康,申升,潘金波,唐杰,陈浪,区泽堂,尹双凤. 光电催化二氧化碳还原研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(3): 1906048 -0 .
[11]	葛靖暄, 胡钧, 朱盈婷, 泽妮诗, 臧德进, 秦召贤, 黄毅超, 张江威, 魏永革. 多酸在电催化析氢反应中的应用研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 1906063 -0 .
[12]	王倩倩, 刘大军, 何兴权. 基于金属有机框架衍生的Fe-N-C纳米复合材料作为高效的氧还原催化剂[J]. 物理化学学报, 2019, 35(7): 740 -748 .
[13]	杨晓冬,陈驰,周志有,孙世刚. 碳基非贵金属氧还原电催化剂的活性位结构研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(5): 472 -485 .
[14]	林舟,申琳璠,瞿希铭,张俊明,姜艳霞,孙世刚. 盐封后碳化钼电催化剂的制备及其氢析出性能[J]. 物理化学学报, 2019, 35(5): 523 -530 .
[15]	张楚风,陈哲伟,连跃彬,陈宇杰,李沁,顾银冬,陆永涛,邓昭,彭扬. 泡沫铜基底原位生长的铜基导电金属有机框架作为双功能电催化剂[J]. 物理化学学报, 2019, 35(12): 1404 -1411 .

基于金属有机框架化合物纳米电催化剂的研究进展

Recent Progress of Metal Organic Frameworks-Based Nanomaterials for Electrocatalysis

RichHTML

PDF

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0