超薄MOFs纳米片/石墨烯复合电催化剂的构筑及其性能研究

Starting from the design and applications of metal-organic frameworks (MOFs) hybrid materials, this project proposes a “sheet-on-sheet three-dimensional hierarchical assembly” strategy for the construction of “sheet-on-sheet” ultrathin metal-organic framework nanosheet/reduced graphene oxide (UMOFNs/rGO) three-dimensional hierarchical hybrid electrocatalyst and further explores the relation between the structure and enhanced catalytic performance in oxygen evolution reaction (OER). To solve the technical problems of traditional MOFs materials in electrocatalysis process including limited interior mass transfer and exposure metal active centers, and poor electro-conductivity, this project aims to design and synthesis of UMOFNs/rGO hybrid electrocatalyst with controllable structures, properties and compositions. The hybrid pathway, growth orientation and regulation of active centers of UMOFNs/rGO will be investigated to achieve the structure control, characterization method and finally clarification of the interfacial growth mechanism. OER will be chosen as the model reaction to emphatically explore the effect of the structure and composition of UMOFNs/rGO on the electrocatalytic activity and stability. On this basis, the active center will be identified and the catalytic mechanism will be clarified. By studying these scientific problems, the existed bottlenecks of traditional MOFs-based electrocatalysts will be solved. This project will provide technical support for the design of high-performance electrocatalysts.

本项目从金属有机物框架（MOFs）复合材料的设计与应用出发，提出一种“片-片三维分级组装”策略，用于超薄MOFs纳米片/还原氧化石墨烯（UMOFNs/rGO）三维等级复合电催化剂的构建，并研究材料结构与析氧反应（OER）增效催化之间的构效关系。针对传统MOFs材料在电催化过程中面临的传质受阻、金属活性中心暴露受限及导电性差的技术难题，设计并制备出结构可控、性质可调、组成可变的复合电催化剂。探究复合电催化剂的复合方式、UMOFNs的生长取向及其活性金属中心的调变规律，获得复合电催化剂结构及组成控制途径，阐明其界面生长机制。围绕以OER为电催化模型反应的性能评价过程，重点探讨催化剂结构与组成对电催化活性及稳定性的影响，阐明三维等级结构及异相金属中心增效机制；进而明确催化活性中心及催化机理。通过这些科学问题的研究和探索，解决传统MOFs基电催化剂存在的瓶颈，为高效电催化剂的设计提供技术支撑。

金属有机框架（MOFs）的设计合成及催化应用是当前材料化学领域的重要课题。然而，传统MOFs材料在催化过程中面临传质受阻、金属活性中心暴露受限及导电性和稳定性差等技术难题,效能收到严重限制。鉴于此，项目围绕等级MOFs材料的界面组装及催化应用展开研究，以期从多元组分协同、等级结构增效以及衍生材料创制三个角度改善上述问题。项目首先发展了超薄MOFs纳米片（UMOFNs）材料在石墨烯材料表面的快速、普适性组装策略，制备了系列UMOFNs@石墨烯复合片-片等级材料。由于复合材料兼具UMOFNs的高活性和石墨烯的高导电性，所形成的三维等级结构可以促进传质、提高MOF的稳定性，因而在电解水产氧反应和锂离子电池中表现出良好的性能。基于对上述组装过程中所涉及不同结构单元之间相互作用的理解，进一步开发多种新型组装策略用于复杂结构MOFs材料的可控合成，制备了多种二/三元MOF-MOF及MOF-非MOF材料复合结构，并深入探究了组装机理。项目还将MOF组装体系拓展至衍生功能材料的合成与应用领域，以上述MOF复合材料为前驱体，通过界面转化途径，制备出金属硫化物@MOF异质结构、金属硫化物超级结构、中空缺陷型金属氧化物等系列衍生材料并考察其在电催化、光催化及环境修复方面的应用，明晰材料结构组成与性能之间的构效关系，为新型MOF基材料的结构及功能设计提供思路。.项目负责人以第一或通讯作者在Nature Communications（1）、Angewandte Chemie International Edition（2）、Advanced Functional Materials（3）、Advanced Science（3）、Chemical Science（1）、Coordination Chemistry Reviews（1）、Applied Catalysis B: Environmental（1）、Small（1）等期刊发表SCI论文18篇；相关论文被引超过430次，两篇论文入选ESI高被引论文。