金属有机框架衍生的碳载金属基电化学还原催化剂

电化学技术为应对能源及环境危机提供了可行的解决方案。随着光伏、风能、水电等可再生能源成本的显著降低，利用富余电力驱动各类电化学反应可实现规模化生产清洁能源或将污染物转化成增值化学品。开发具有优异催化活性及耐久性的电催化剂是这类电化学技术的关键。金属有机框架（Metal-organic frameworks, MOFs）材料由于金属节点与有机配体的高度可调性，表现出不同的结构形貌与化学组成。相较于原始MOFs，其碳基衍生物在电导率、催化中心构型、结构稳定性方面具有一定优势，因此被广泛应用于各类电催化反应中。

图1. 可再生电力驱动的电催化人工氢/碳/氮循环

近年来，香港城市大学的楼雄文教授（点击查看介绍）课题组在MOF衍生碳载金属基催化剂的设计、制备及其在电化学还原反应中的应用领域取得了许多优秀的成果，得到广泛的关注，近期撰写了题为“Metal-Organic Frameworks Derived Carbon-Supported Metal Electrocatalysts for Energy-Related Reduction Reactions”的综述文章。该文从金属节点、有机配体、修饰剂三大核心要素出发，总结了MOF材料形态、组分、结构的设计原理，并就金属活性中心的筛选原则及可控负载策略进行了分析。由此介绍了其在电化学还原反应（包括析氢（HER）、氧还原（ORR）、二氧化碳还原（CO₂RR）、氮还原（NRR）及氮氧化物还原（NO_xRR）反应）中的最新研究成果，并对其研究前景进行了展望。

图2. MOF衍生碳载金属基催化剂在电化学还原反应中的应用

MOFs合成过程中的各种因素都可能影响最终产物的形态，包括金属盐、有机配体、修饰剂、溶剂和反应条件等。与其他因素不同，配体和修饰剂的选择对MOFs及其衍生物有着更直接、更可追溯的影响。选用特定的有机配体和修饰剂，可以实现MOF结构的可控组装，从而获得具有不同维度、组分和结构缺陷的碳基质。

图3. MOFs材料的（A-F）维度控制、（G）组分调控及（H）结构缺陷构筑

通过构筑具有适当形态、组分和缺陷结构的MOF衍生碳基质，活性金属物质得以均匀分散并充分利用。根据目标反应的不同，活性金属的种类及其构型需要有效定制。活性金属物种可能有几种来源：1）二级结构单元（SBUs）中的金属离子；2）向原始MOF结构引入的外源含金属修饰剂；3）在衍生碳基质中后修饰的金属物种。

图4. MOF衍生催化剂中的可控金属负载策略：（A）金属节点选择、（B）金属离子交换、（C）客体分子限域、（D）金属物种后修饰

MOF衍生碳载金属催化剂具有独特的优势：1）可调制的金属及配体赋予其衍生物不同的形态与组成；2）继承的发达孔隙结构为快速传质提供保障；3）高电导率促进电子传输过程；4）充足的活性金属组分直接用作催化中心；5）强金属-载体相互作用进一步调节活性物种的电子结构，并提供抗腐蚀保护层，因而被广泛应用于各种电催化反应中。而由于在还原电位下活性中心和形态结构的相对稳定，其在电化学还原反应中更具实际应用前景。本文就不同电还原反应中，MOF衍生碳载金属催化剂的催化中心构型设计、实际性能表现、构效关系、催化反应机制等方面进行了深入分析。

图5. MOF衍生碳载金属催化剂在（A）HER、（B）ORR、（C）CO₂RR、（D）NRR、（E）NO_xRR中的应用

小结

该综述系统总结了MOFs的三大核心要素，即金属节点、有机配体和修饰剂的各种调制策略。基于此，对MOF衍生碳载金属基材料的形态控制、组分修饰、缺陷构筑和可控金属负载策略进行了深入解析。汇总了近年来该类催化剂在电化学还原反应中的应用，同时就目前研究的不足及未来的发展进行了展望。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，第一作者是香港城市大学朱加伟博士和福州大学卢雪峰教授，通讯作者是楼雄文教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Metal-Organic Frameworks Derived Carbon-Supported Metal Electrocatalysts for Energy-Related Reduction Reactions

Jiawei Zhu, Xue Feng Lu, Deyan Luan, Xiong-Wen (David) Lou

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202408846

导师介绍

楼雄文教授：新加坡科学院、新加坡工程院、欧洲工程院三院院士，现任职于香港城市大学化学系讲席教授。主要研究方向为设计合成纳米结构材料用于能源与环境相关的领域。

楼雄文教授专注于新能源材料与器件研究并取得了卓越的研究成果，于2023年入选欧洲工程院院士、同年获得世界青年科学家峰会“可持续发展青年科学家奖”和伊朗科技部颁发的36th Khwarizmi International Award (the KIA Laureate)、2022年入选新加坡国家科学院和工程院两院院士Fellow of Singapore National Academy of Science & Fellow of Academy of Engineering, Singapore、2017年入选英国皇家化学会会士Fellow of Royal Society of Chemistry (FRSC)、2013年获得世界文化理事会特别荣誉奖World Cultural Council (WCC) special recognition award、同年获得十五届亚洲化学大会—亚洲新星、2012年获得新加坡国家科学院—青年科学家奖等。2015年获新加坡国立研究基金会研究员项目Singapore National Research Foundation (NRF) Investigatorship，连续十年（2014-2023）入选汤森路透/科睿唯安高被引学者。楼雄文教授现担任Science Advances执行副主编、Chemical Communications副主编、Chem, Chemical Science, Nano Letters, Small Methods等杂志编委。楼雄文教授在包括如Science、Nature Energy、Science Advances、Chem、Joule、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials等国际顶级期刊发表论文400余篇，累计引用次数超过123000次（> 139000，谷歌学术），H指数高达210（223，谷歌学术）。

楼雄文

https://www.x-mol.com/university/faculty/35053 

课题组主页

https://www.cityu.edu.hk/chem/people/academic-staff/davidlou