近年来，多孔金属-有机框架材料（MOFs）因其比表面积大、孔隙率高、活性位点丰富已被广泛应用于制备多功能过渡金属基纳米材料。近期，空心结构的MOFs由于具有较大的孔体积和丰富的活性位点，可以促进小分子的质量传输而备受关注。研究人员往往使用模板法制备空心MOF材料，虽然模板法可以精确地控制材料的大小、形态和结构，但存在难度大、制备复杂、成本昂贵等问题。因此MOF材料是否可以根据其组成和结构特性原位转化为空心形貌来进行高效催化还有待探索。此外，通过碳化MOFs来制备具有高活性和选择性的金属-氮碳材料（M-Nx），所得到的材料有着丰富的金属纳米颗粒（NPs）和M-Nx位点等优点，具有大量N位点的多孔含碳MOF材料可以有效地分散和锚定过渡金属离子来更好地提高材料的电化学性能。
近日，我院杨植教授团队利用单晶到单晶（SCSC）的转换方法，通过有机配体交换成功实现将MOF-5立方体转换为中空ZIF-8-F。MOF-5中1,4-苯二甲酸酯（BDC2−）和ZIF-8中2-甲基咪唑（MI）在MOF前驱体的界面上进行竞争配位，弱配位键（Zn-O）逐渐断裂，以及较强配位键（Zn-N）的持续生成，从而产生中空的纳米结构，形成了热力学上更稳定的ZIF-8结构。将掺杂Fe离子的MOF材料进行热解后，得到的Fe-ZIF-8-F-900材料具有大的比表面积、高的石墨化程度、丰富的碳纳米管以及高活性的铁物种等优点。这些特性有助于后续氧还原反应（ORR）更好的电子转移和质量传输。与Pt/C相比，Fe-ZIF-8-F-900具有优异的ORR性能，如较正的起始电位（0.982 V），大的极限电流密度（5.41 mA cm-2）和较小的Tafel斜率（40.6 mV dec-1），且在10小时后电流保持率高达94.4%。此外，实验和理论结果均证实了Fe-ZIF-8-F-900组装的锌空气电池在实际应用中表现优异。本研究将为高效、低成本的非贵金属基电催化剂的开发和制备提供合理的设计策略，并为其在能源相关领域的实际应用指明方向。
本研究结果以“Ligand-induced hollow MOF-derived carbon nanomaterials with abundant Fe species for efficient oxygen reduction”为题发表在《SCIENCE CHINA Materials》，bat365中文官方网站为第一通讯单位，我院2021级硕士研究生毛璐娇为第一作者，杨植教授、钱金杰副教授、葛勇杰博士为通讯作者，该工作受到国家自然科学基金（21601137）、温州市基础科学研究项目（G20190007）、云南省地方本科高校基础研究联合专项重点项目（202101BA070001-042）等资助。
参考文献：Mao, L., Ge, Y., Chen, D., Yang, Y., Xu, S., Xue, J., Xiao, K., Zhou, X., Qian, J., and Yang, Z. Ligand-induced hollow MOF-derived carbon nanomaterials with abundant Fe species for efficient oxygen reduction. Sci. China Mater. 2023, 10.1007/s40843-022-2374-3.
论文链接: https://doi.org/10.1007/s40843-022-2374-3
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