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新型MOF高活性催化剂用于高能量密度锌碘液流电池

金属有机结构(Metal-organic frameworks,MOFs)又称多孔配位聚合物(Porous Coordination Polymers or PCPs), 是一类由金属原子与有机配体分子通过配位键组成的具有超高比表面积、大孔隙率、原子尺度可调控的孔径以及灵活丰富的化学组分的新型多孔材料。由于这些独特的性质,目前世界上众多的科研机构都在研究MOFs用于气体吸附分离、较温和条件下分子催化、生物传感以及靶向给药等领域。而液流电池(Redox Flow Battery)近些年在大型储能领域的开发及应用也越来越受到世界各国的重视。


美国能源部西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)科学家 Dr. Bin Li Dr. Jian Liu 及团队最近首次将MOFs材料与液流电池结合起来,将MOFs材料用于一种高能量密度的锌碘(Zinc-Polyiodide)液流电池(Dr. Bin Li及团队发明)当中作为新型的高活性催化剂。结果发现两种MOF材料,MIL-125-NH2 和UiO-66-CH3  中的金属原子(Ti原子和Zr原子)都具备Lewis 酸催化活性,对阴极电解液中的I-/I3- 有催化作用。而且这两种MOFs材料具备合适大小的孔径通道,I-/I3- 可以在这些材料的孔道中自由通行。材料结构中的Lewis 酸活性位可以促进电子的接受和转移来加快氧化还原反应速度从而起到催化作用。催化剂可以有效降低电极的电位差值,提高电压效率从而提高电池的能量效率。实验表明负载了MIL-125-NH2的石墨电极的能量效率比没有负载的石墨电极提高了6.4%。这个结果要好于用UiO-66-CH3 修饰的石墨电极的2.7%。其原因有可能是因为MIL-125-NH2 里的Lewis 酸活性位(Ti)比UiO-66-CH3 弱,所以电子能更容易从MIL-125-NH2 里的 Ti原子上脱离从而实现更快的电子转移。然而具有更高配位数从而具有更强化学稳定性的UiO-66-CH3 在酸性的碘化锌溶液中更加稳定。在经过50次冲放电循环后,负载UiO-66-CH3 的石墨电极仍然能够保持基本稳定的能量效率(64%)。

这项研究将促进更多的MOFs材料在储能领域,尤其是液流电池领域的开发及应用。Dr. Bin Li和Dr. Jian Liu团队的研究成果发表在美国化学会近期的Nano Letters杂志上。


该论文作者为:Bin Li, Jian Liu, Zimin Nie, Wei Wang, David Reed, Jun Liu, Pete McGrail, Vincent Sprenkle

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b01426

Metal–Organic Frameworks as Highly Active Electrocatalysts for High-Energy Density, Aqueous Zinc-Polyiodide Redox Flow Batteries

Nano Lett., 2016, 16, 4335-4340, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01426


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