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[专家学者] 梅永丰/黄高山课题组:基于原子层沉积诱导MOF薄膜的高性能柔性氢气发生器

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发表于 2019-10-22 09:00:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
氢能作为公认的清洁能源,在当今提倡的低碳生活下脱颖而出。氢能是一种二次能源,它可以利用其它能源制取,这正好可以弥补初级能源的局限性。水分解是目前最有希望实现可持续清洁生产氢气的有效方式,其中,水电解析氢被广泛重视。这种产氢方式的效率高,控制性强,产生的氢气纯度高,具有独特的优越性。然而,这种产氢方式往往依赖贵金属(如铂)作为催化剂,使得生产成本高昂。寻找代替贵金属的新型催化材料成为了当今研究的重点。
       金属有机框架(MOF)及其热解多孔碳具有大的比表面积,高孔隙率,以及过渡金属掺杂特性,是新一代具有潜力的电催化材料。但单一的MOF颗粒缺乏多级纳米结构的设计,且孔径分布窄,微纳米颗粒独立分布,难以构建多维导电通路,而且活性位点的暴露不充分。与此同时,分立的刚性颗粒也限制了相关材料在柔性器件中的应用。目前已有一些方法可以实现MOF颗粒和衬底的结合,得到均匀的MOF薄膜。但这些结构中MOF的载量往往较低,比表面积较小,而且MOF薄膜与衬底结合不牢固,薄膜的均匀性和晶体质量较差,难以发挥MOF材料的结构优势。

MOF薄膜

MOF薄膜
       复旦大学材料科学系梅永丰/黄高山课题组采用一种新颖高效的方法,在原子层沉积(ALD)技术的辅助下,在柔性碳化海绵骨架上通过金属氧化物薄膜诱导生长制备了沸石咪唑酯框架-67(ZIF-67)薄膜。实验结果表明,这种方法实现了ZIF-67的大载量,同时薄膜均匀致密,与衬底紧密结合。ZIF-67薄膜内部晶体的紧密堆垛产生了多级孔结构,使得复合材料的比表面积(含衬底)达到453 m2 g-1。热解碳化之后,ZIF-67组分转化为层状钴氮共掺杂碳纳米球,紧紧贴合在柔性海绵骨架上。测试表明,该材料在酸性电解液和碱性电解液中均有良好的催化活性。特别是在酸性溶液中仅需142 mV 的过电位就可达到10 mA cm-2的电流密度。更重要的是,该复合材料具有优良的柔性,可在大形变(例如压缩至原始厚度的25%)和反复压缩状态下电催化析氢。这种柔性的自支撑电极可以适应多种形态的反应容器,这为极端环境下以及户外等特殊场合的氢气制备提供了新方法。 研究者相信,此项研究将会为基于MOF材料的电催化应用研究打开了一扇窗户,并为MOF基复合材料与结构的合成制备以及功能化改性提供新的思路。相关论文以“Atomic Layer Deposition Inducing Integration of Co, N Codoped Carbon Sphere on 3D Foam with Hierarchically Porous Structures for Flexible Hydrogen Producing Device”为题,在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906365)上。
       本文转载自 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201906365


       MOF薄膜
       MOF由于其规则的多孔结构和孔径及化学性质可调等特性,而倍受关注。尤其是致密交生的MOF薄膜,在气体、液体和离子分离领域表现出优异的性能,展示了其在相关领域的重要应用前景。近几年MOF薄膜的制备方法主要包括一次生长法、二次生长法、2D MOF 薄膜的制备。受限固相转化法,即MOF金属前驱体薄膜在配体溶液中,其表面优先转化为MOF薄膜,并对下层前驱体产生一定的限制作用,进而前驱体完全转化为MOF,得到致密交生的MOF薄膜。


       梅永丰复旦大学材料科学系教授、博导。1999年和2002年于南京大学物理学系分别获得学士学位和硕士学位,2005年于香港城市大学物理与材料科学系获得理学博士学位,2005-2007年在德国斯图加特马克思普朗克协会固态研究所担任博士后,2007-2010年在德国德累斯顿莱布尼茨协会固态与材料研究所担任研究员和课题组长,2010年开始担任复旦大学材料科学系教授、博导。先后获得上海市浦江人才(2011年)、教育部新世纪优秀人才(2012年)、上海市曙光学者(2012年)和国家优秀青年科学基金(2013年)。目前研究方向为新型无机纳米薄膜材料研究,近几年将纳米薄膜材料运用到光学微腔,光流体探测,微纳光电效应,微纳机器人学,柔性无机电子学等方面开展工作。在Chem. Soc. Rev.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、Nano Lett.、Small等学术期刊上已发表SCI论文140多篇,他引超过2000次,担任Nanotechnology等国际学术杂志客座编辑以及多个国际学术会议主席。


      黄高山复旦大学材料系副教授,2002年毕业于南京大学物理系,2007年获得南京大学博士学位,之后在香港城市大学物理与材料科学系,德国莱布尼兹固态与材料研究所(IFW Dresden),新加坡科技研究局材料研究与工程研究院(IMRE)从事研究工作。研究方向:纳米薄膜与器件、半导体纳米结构、发光材料、光催化材料。

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