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注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

能源、催化等领域对制备微结构可控的电极具有非常迫切的需求。基于此，新南威尔士大学的赵川（Zhao Chuan）教授课题组利用化学中溶解-结晶的机理，发展了一种一步化学沉积的制备方法，实现了在不同基底上生长二维MOF阵列结构。在此基础上，他们探索了MOF催化电极材料在电解水反应中的应用，为MOF材料在电化学领域的发展奠定了基础。

金属有机框架（MOF）结构是一类由金属中心和有机配体结合而成的多孔材料，在很多领域具有广泛的应用。由于具有丰富的金属中心和微孔结构，MOF材料在电催化领域表现出广阔的应用前景。然而，当前MOF材料的电催化性能仍然不理想。例如，在电解水催化的阳极氧析出反应（OER）中，MOF电极往往具有较高的过电位，且转化频率（TOF）较低。

电催化的性能一般由材料活性中心、导电性及孔结构等决定。催化性能的提高要求每个参数在优化时不影响其他参数。在MOF的体系中，相应的材料具有丰富的金属中心，但是较低的导电性（~10-10 S•m^-1）和微孔尺寸（几纳米）限制了活性中心的利用。高温碳化MOF的方法虽可以提高导电性，但导致材料团聚进而损失金属活性中心。而将MOF与其他导电材料（如石墨烯、聚苯胺等）进行复合虽然可以提升总体的导电性，但会阻碍可利用的孔结构。所以，提高MOF材料电催化的活性是一个具有挑战性的课题。

最近，新南威尔士大学的赵川教授课题组发展了一种简单的化学沉积制备方法，实现了在不同基底上原位生长二维MOF阵列结构。这种制备方法可对MOF材料进行多种结构参数的调控和优化。基于超薄的厚度，二维MOF的大部分活性中心得以暴露，非常有利于电化学催化反应。同时，材料具有多级孔结构，包括MOF自身的微孔、阵列中二维纳米片的开放孔及泡沫镍基底的大孔。这些多级孔结构有利于电解液的浸润以及气体产物的析出。此外，他们还首次实现了直接在基底上生长二维纳米片阵列，MOF与导电泡沫镍基底间的强相互作用可以显著提升电极的整体导电性。

以上优异的结构性质使MOF电极获得了优异的催化性能。在OER反应中，催化电极在10 mA•cm^-2的条件下过电位仅为240 mV，TOF达到3.8 S^-1。除此之外，MOF电极可以对电解水的阴极和阳极反应进行同时催化。在二电极电解水的装置中，10 mA•cm^-2的工作电压仅为1.55 V，超越了很多最近报道的双功能催化剂，与传统贵金属催化剂性能接近。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，工作来源于新南威尔士大学的赵川教授课题组。

该论文作者为：Jingjing Duan, Sheng Chen, Chuan Zhao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Ultrathin metal organic framework sheet array for efficient water splitting

Nat. Commun., 2017, 8, 15341, DOI: 10.1038/ncomms15341

赵川教授简介

澳大利亚新南威尔士大学（The University of New South Wales，UNSW）化学院终身教授，现任皇家澳大利亚电化学会主席、澳大利亚研究委员会Future Fellow，曾任澳大利亚研究委员会研究员（ARC Australian Research Fellow），第四届亚太离子液体大会主席，澳洲皇家化学会、美国化学会、国际电化学会会员；2010年入选中科院百人计划（未启动），2006-2010年澳大利亚蒙纳士大学（Monash University）化学院高级研究员、ARC绿色化学中心研究员，2002-2006年德国奥尔登堡大学（Carl von Ossietzky Universität Oldenburg）化学系博士后，2002年西北大学化学系博士毕业。

赵川教授的研究兴趣包括纳米电化学技术及其在清洁能源、化学传感及智能仿生中的发展与应用，具体研究课题包括电化学储能（电解水制氢、燃料电池、二氧化碳还原)、离子液体、气体传感器、人工耳蜗（Cochlear）；近年来发表高水平研究论文百余篇，其中包括多篇热点论文和高引用频率排行论文；其科研成果多次得到包括新华社在内的国际主流新闻媒体的报道，获国际发明专利4项、澳大利亚发明专利5项，其中四项已成功商业化，其制氢专利首批入选中国科技部首个海外高科技火炬创新园。

赵川

http://www.x-mol.com/university/faculty/25323

课题组网站

http://www.chem.unsw.edu.au/research/groups/zhao/

研究思路分析

Q：为什么传统MOF材料催化活性较差？该工作是如何解决这一问题的？

A：传统MOF材料具有较差的导电性或较少的大孔结构，限制了催化过程中电子和物质的传输，所以催化活性较差。该工作利用化学制备的方法，实现了MOF的微结构调控和优化以及金属活性中心、孔结构和导电性的同时优化。催化电极表现出显著的协同增强效应，提高了催化性能。

Q：二维MOF材料一般怎样制备？该工作的制备方法有哪些优势？

A：当前报道的二维MOF材料大部分由“自上而下”的方法合成，即利用超声等方法将块体的MOF剥离成为二维纳米片。这种方法很难控制二维MOF的微结构以及催化电极的微观形貌。在该工作中，作者利用“自下而上”的制备方法，即以“金属中心”和“有机配体”为基本单元，从分子水平构建了二维MOF电极，实现了MOF微结构的精确控制，并对其性能进行了优化。

Q：在设计过程中，制备高催化性能的MOF电极与发展通用的二维MOF制备的方法，哪种更加具有挑战性？

A：前面的课题更加具有挑战性。传统的MOF被普遍认为是较差的电化学催化剂。在该工作中，作者通过对MOF材料的微结构进行调控，优化了其结构性质，使MOF在电催化过程中表现出优异的性能。该研究结果突破了MOF在电催化过程中的应用瓶颈，极大拓展了其电化学过程中的应用。

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