化学蚀刻方法为燃料电池等打开孔隙

用于扩大金属有机框架(MOF)孔隙的化学蚀刻方法可以改善 MOF 的各种应用，包括在燃料电池中和作为催化剂。日本名古屋大学和中国华东师范大学的研究人员与日本、澳大利亚和中国其他地方的合作者开发了这种新方法，他们的研究成果发表在《美国化学会杂志》上。

MOF 是由通过碳基(有机)连接基团互连的金属簇或离子组成的多孔材料。改变金属和有机成分可产生多种适用于多种应用的 MOF，包括催化、化学分离和气体储存。

一些 MOF 具有催化燃料电池内部化学反应的明显潜力，燃料电池正在作为可再生能源系统的基础进行探索。由于燃料电池不使用化石燃料，因此可以在向低排放或零排放经济转型以应对气候变化的过程中发挥关键作用。

“然而，使用MOFs存在一个问题，因为催化剂层太厚，并且它们的孔结构不够开放，无法进行必要的化学物质转移。这加剧了催化剂层缓慢的传质性能，限制了其应用MOF 在许多可再生能源系统中的应用，特别是质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 应用。”

“因此，人们越来越关注构建具有开孔结构的中空 MOF，以促进反应物渗透并缩短质量扩散路径。这使得我们有可能在单个 MOF 纳米颗粒中精心设计前所未有的形态和具有开孔结构的中空结构，作为PEMFC 催化剂的前体，释放了 PEMFC 应用先进材料的潜力。”名古屋团队的 Yusuke Yamauchi 解释道。现有 MOF 的化学不稳定性也成为其使用的障碍。

研究人员使用化学混合物在整个 MOF 中蚀刻出更开放的结构。经过最初的蚀刻循环后，MOF 的内部变得更加多孔，这意味着它可以装载对催化至关重要的铁离子。这种 MOF 的开放结构中固定有单独的铁离子，使每个离子都具有单独的催化活性。最终的催化剂，称为 OP-Fe-NC，是通过将最终的 MOF 在惰性气氛中进行煅烧处理而获得的。

初步模拟表明，这种结构将极大地改善氧在材料中的运动，从而显着增强其活性和稳定性。这些令人鼓舞的结果凸显了 OP-Fe-NC 作为各种能量存储和转换设备的有效电催化剂的潜力。

在这项工作中，使用 OP-Fe-NC 作为阴极催化剂，在酸性介质中具有出色的氧还原反应 (ORR) 活性和优异的稳定性，甚至优于商用铂/碳催化剂。在燃料电池中，OP-Fe-NC表现出高电流密度，接近美国能源部(DOE)2025年的目标。

中国华东师范大学的夏伟表示： “这项工作通过同时提高活性位点的固有催化活性并有效利用催化剂层中的活性位点，为设计和优化 ORR 高效催化剂提供了一种新方法。 ” 。

在原理上证明了他们的方法的潜力后，研究人员现在计划探索其他化学修饰如何优化方法来生产适合不同现实情况的材料。“我们打算弥合实验工作和实际应用之间的差距，希望为推动可持续能源解决方案做出真正的贡献，”山内说。