金属-有机框架(MOFs)衍生材料及其在储能器件和电催化领域的应用

金属-有机框架(MOFs)是一类由金属离子/团簇和有机配体通过配位形成的具有多孔结构的无机-有机杂化材料。MOFs具有比表面积高、孔径均一、结构可调等优点,受到了人们的广泛关注。然而,MOFs的导电性和稳定性较差,制约了其应用的进一步拓展。以MOFs作为前驱体,通过水热反应或煅烧得到组成、形貌、结构可调的MOFs衍生材料,既能够保持MOFs材料结构多样性和多孔性的特点,又能有效提高其导电性和稳定性,近年来已成为该领域的研究热点。然而,MOFs衍生材料单一的组成和结构,使其能够提供的性能(如电容性能、催化性能)有限,极大地限制了其相关应用的发展。因此,近几年除了研究制备各种不同MOFs衍生材料外,研究者们主要从MOFs衍生材料的组成和结构方面出发,制备出多样化且在各方面应用中(如储能器件、催化)表现出优异性能的材料。MOFs衍生材料作为性能优异的应用型材料,其研究较为成熟的组成和结构分别主要包括多孔碳、金属氧化物、金属硫化物、金属磷化物、金属氢氧化物以及纤维状结构、中空结构、核壳结构等。MOFs衍生材料不仅具有高的比表面积、均一的孔径分布,通常还结合了衍生多孔碳的高导电性及其他衍生材料(金属化合物或掺杂的金属原子及杂原子,如N、P、S等)的优异性能(如电容性能、催化性能),从而发挥出更加优异的性能。其中,MOFs衍生金属化合物材料具备多孔结构,能够提供优异的容量性能及催化性能等,且其性能通常优于通过其他方法制备得到的同种材料。从结构方面出发,近几年,研究者们通过调控前驱体结构亦或是反应条件,制备得到多种不同结构的MOFs衍生材料。一方面,部分制备得到的结构(如核壳结构、中空结构)可以缓解MOFs衍生材料在使用过程中所受到的冲击,从而表现出优异的循环性能。另一方面,通过调控MOFs衍生材料的结构,使其活性位点得到充分的暴露,从而使其性能得到最大化的发挥。本文综述了MOFs衍生材料的研究进展,包括组成特点、结构调控,及其在储能器件、催化领域的应用,最后阐述了MOFs衍生材料研究领域当前面临的挑战以及未来的发展前景。