基于金属有机框架中空材料的研究进展
发布时间：2021-11-19 23:56
金属有机框架（MOFs）中空材料因其大的比表面积、低密度、较高的负载能力和良好的离子渗透性,如氢氧化物、磷化物、硫化物等纳米材料,在能源储存与转换领域有良好的发展前景。本文主要总结了基于不同形貌MOFs中空材料的制备途径和形成机理,着重介绍了其在超级电容器、锂离子电池和电催化等方面的应用,最后论述了基于MOFs中空材料的未来发展前景和挑战。
【文章来源】：应用化学. 2020,37(11)北大核心CSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
(a)单孔结构的Co/NC中空球形成过程[25]; (b)双层中空NiCo-LDHs的合成图[26]; (c)利用乳液法制备中空ZIF-8纳米球的工艺流程[28]; (d)中空Co-Fc-HCPS微球的Ostwald Ripening机理形成过程[34]
1.1.6 Kirkendall关于由纳米尺度Kirkendall效应产生空心结构的报道主要集中在纯金属或金属氧化物上,这些材料表面没有不均匀的碳层包覆或碳与金属界面的存在,因此金属原子在不同位置的扩散速率是均匀的,由此产生大小均匀的空心球[37-38]。 与之不同的是,Guan等[39]合成了Co-MOF衍生的分级Co3O4纳米球嵌入氮掺杂碳纳米阵列材料(NC-Co3O4/CC)(图2(a))。 尽管Co纳米颗粒在氧化过程中仍会发生纳米尺度的Kirkendall效应,但由于其表面存在碳-金属相互作用,会使得原子和离子的扩散变得不均匀,从而形成了不规则空心球结构。 Park等[40]采用MIL-88为模板和前驱体,在H2/Ar气氛下进行还原和碳化得到了棒状结构的铁@石墨化碳(Fe@GC),再经过300 ℃下Fe晶体氧化成了空心Fe2O3纳米球。 研究表明,在氧化过程中由于铁离子具有小的半径导致其向外扩散的速度比氧气向内扩散快[41],金属铁纳米晶体发生纳米级Kirkendall扩散先被转化为Fe@Fe2O3核壳结构,通过相互扩散导致在Fe/Fe2O3界面处孔隙空间的出现,最后形成了中空Fe2O3纳米球。 类似地,在H2/Ar气氛下,采用硒化法制备了金属铁纳米晶完全转化成空心FeSe2纳米球,从而制备了中空硒化铁/石墨化碳材料(H-FeSe2/GC)。
MOFs作为前驱体直接经过高温进行催化热解反应,已成功地应用于中空结构的合成。 Wu等[47]采用硫粉在600 ℃下,对ZIF-67同时进行热解和硫化,得到了中空硫化钴@多孔碳多面体/碳纳米管复合材料(CoS@PCP/CNTs)(图3(b))。 在高温下,ZIF-67表面游离的Co2+与硫粉反应生成CoS纳米颗粒;由于CoS纳米颗粒具有较强的催化活性,使得MOFs上的有机物被催化成氮掺杂的碳纳米管(N-CNTs)。 高活性的金属纳米颗粒在表面区域优先形成,由其催化产生的N-CNTs生长方向是从内到外,进而导致内部空腔的产生。 Xu等[48]通过对ZIF-67在N2中高温碳化,自催化热解生成了中空碳-氧化钴(Co3O4-x-Carbon)多面体,同时Co3O4的表面被碳还原,产生了氧空位特性,为Fe2-yCoyO3纳米线的生长提供了成核位点和生长平台,最后得到三维异质结构的Co3O4-x-Carbon@Fe2-yCoyO3中空多面体(图3(c))。1.2.3 刻蚀法
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属有机框架材料UTSA-74高效去除水溶液中的砷[J]. 余文婷,张慧,孙玉珍,吴昊,罗明标. 应用化学. 2020(02)
[2]金属有机骨架材料MIL-101及其改性材料去除环境污染物的研究进展[J]. 于航,王茜子,朱绪娅,刘夏晴,杨慧,李凤祥. 应用化学. 2019(11)
[3]Cu2O@HKUST-1前驱物法合成CuO中空管状超级结构及其CO催化氧化性能[J]. 刘婷,李经纬,刘永鑫,王成. 应用化学. 2018(06)
[4]喷雾干燥法制备中空偏钨酸铵球及中空结构形成机理[J]. 张丽娜,苏琪,杨高玲,石安红,刘柏雄. 粉末冶金工业. 2017(04)
本文编号：3506143
【文章来源】：应用化学. 2020,37(11)北大核心CSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
(a)单孔结构的Co/NC中空球形成过程[25]; (b)双层中空NiCo-LDHs的合成图[26]; (c)利用乳液法制备中空ZIF-8纳米球的工艺流程[28]; (d)中空Co-Fc-HCPS微球的Ostwald Ripening机理形成过程[34]
1.1.6 Kirkendall关于由纳米尺度Kirkendall效应产生空心结构的报道主要集中在纯金属或金属氧化物上,这些材料表面没有不均匀的碳层包覆或碳与金属界面的存在,因此金属原子在不同位置的扩散速率是均匀的,由此产生大小均匀的空心球[37-38]。 与之不同的是,Guan等[39]合成了Co-MOF衍生的分级Co3O4纳米球嵌入氮掺杂碳纳米阵列材料(NC-Co3O4/CC)(图2(a))。 尽管Co纳米颗粒在氧化过程中仍会发生纳米尺度的Kirkendall效应,但由于其表面存在碳-金属相互作用,会使得原子和离子的扩散变得不均匀,从而形成了不规则空心球结构。 Park等[40]采用MIL-88为模板和前驱体,在H2/Ar气氛下进行还原和碳化得到了棒状结构的铁@石墨化碳(Fe@GC),再经过300 ℃下Fe晶体氧化成了空心Fe2O3纳米球。 研究表明,在氧化过程中由于铁离子具有小的半径导致其向外扩散的速度比氧气向内扩散快[41],金属铁纳米晶体发生纳米级Kirkendall扩散先被转化为Fe@Fe2O3核壳结构,通过相互扩散导致在Fe/Fe2O3界面处孔隙空间的出现,最后形成了中空Fe2O3纳米球。 类似地,在H2/Ar气氛下,采用硒化法制备了金属铁纳米晶完全转化成空心FeSe2纳米球,从而制备了中空硒化铁/石墨化碳材料(H-FeSe2/GC)。
MOFs作为前驱体直接经过高温进行催化热解反应,已成功地应用于中空结构的合成。 Wu等[47]采用硫粉在600 ℃下,对ZIF-67同时进行热解和硫化,得到了中空硫化钴@多孔碳多面体/碳纳米管复合材料(CoS@PCP/CNTs)(图3(b))。 在高温下,ZIF-67表面游离的Co2+与硫粉反应生成CoS纳米颗粒;由于CoS纳米颗粒具有较强的催化活性,使得MOFs上的有机物被催化成氮掺杂的碳纳米管(N-CNTs)。 高活性的金属纳米颗粒在表面区域优先形成,由其催化产生的N-CNTs生长方向是从内到外,进而导致内部空腔的产生。 Xu等[48]通过对ZIF-67在N2中高温碳化,自催化热解生成了中空碳-氧化钴(Co3O4-x-Carbon)多面体,同时Co3O4的表面被碳还原,产生了氧空位特性,为Fe2-yCoyO3纳米线的生长提供了成核位点和生长平台,最后得到三维异质结构的Co3O4-x-Carbon@Fe2-yCoyO3中空多面体(图3(c))。1.2.3 刻蚀法
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属有机框架材料UTSA-74高效去除水溶液中的砷[J]. 余文婷,张慧,孙玉珍,吴昊,罗明标. 应用化学. 2020(02)
[2]金属有机骨架材料MIL-101及其改性材料去除环境污染物的研究进展[J]. 于航,王茜子,朱绪娅,刘夏晴,杨慧,李凤祥. 应用化学. 2019(11)
[3]Cu2O@HKUST-1前驱物法合成CuO中空管状超级结构及其CO催化氧化性能[J]. 刘婷,李经纬,刘永鑫,王成. 应用化学. 2018(06)
[4]喷雾干燥法制备中空偏钨酸铵球及中空结构形成机理[J]. 张丽娜,苏琪,杨高玲,石安红,刘柏雄. 粉末冶金工业. 2017(04)
本文编号：3506143
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