生产清洁可再生能源的有效方法是电化学能量转换技术。阴极氧还原反应（ORR）电催化剂，在包括清洁可再生燃料电池，金属空气电池等在内的各种新型清洁能源技术的商业化中发挥关键作用。Pt基材料一直被认为是最好的ORR电催化剂，但Pt基材料存在成本高、耐久性差、耐甲醇性差等问题，极大地阻碍了其广泛应用。因此，低成本、耐用、高效的非铂族金属基电催化剂作为替代催化剂得到了极大的发展。近年来，碳基材料在碳纳米管(CNT)、石墨烯(graphene)、纳米碳(nanocarbon)等诸多领域得到广泛应用。其中，纳米多孔碳是一种大孔隙度分级多孔碳材料，它具有比表面积大、孔隙率高、导电性好、纳米结构可控等显著特点，被认为是多功能材料的新前沿。同时作为模板，这些碳材料不仅可以增加目标复合材料的导电性，还可以防止活性组分的聚集，提供足够的空间来抵抗体积膨胀，提高性能。另一方面，金属-有机骨架(MOFs)是结晶和微孔材料的一个子类，它是由有机连接剂和金属阳离子在结构上组装而成的。通过适当的热处理和/或化学处理，混合MOFs可以方便地转化为各种高能存储材料，包括多孔碳和金属氢氧化物/氧化物/碳化物/氮化物等。
有鉴于此，温州大学黄少铭教授、钱金杰、胡悦等人合作，通过调整双金属沸石-咪唑盐骨架功能化碳球前驱体(CoZn-ZIF/CS)中的锌掺杂剂的含量，在煅烧后的N掺杂碳球上生成Co纳米颗粒(NPs)，并针对ORR性能进行了广泛研究。
本文要点
1）通过自下而上的合成方法，将经过预处理的官能化CS用作模板，并通过一锅聚合进一步使用聚多巴胺（PDA）修饰具有薄聚合物层的碳材料，从而制备得到PDA/CS。PDA/CS分散在Co(II)和/或Zn(II)离子甲醇溶液中，这些聚乙二醇化的CSs由于其丰富的羟基基团，能够静电预吸附金属阳离子，并与2-MeIm配体进一步配位，成功获得CoZn- ZIF/CS、Co-ZIF/CS和Zn-ZIF/CS。然后，核-壳结构的CoZn-ZIF/CS在Ar气氛下进行热处理，获得N掺杂CSs (CoZn-ZIF/CS-1000)中的Co NPs。
2）对于CoZn-ZIF/CS-1000，其多孔的ZIF前体分别保持了高达586 m2g-1和0.39 cm3g-1的BET比表面积和总孔体积。
3）Co-ZIF/CS-1000在碱性介质中表现出了优异的ORR活性，半波电势为0.82 V（vs RHE），极限电流密度为5.11 mVcm-2。同时，所获得的CoZn-ZIF/CS-1000电催化剂显示出比市售Pt/C更好的电化学稳定性和甲醇耐受性。
总之，该工作为调节碳材料模板和MOF衍生物的催化性能开辟了一条新的途径，可进一步用于开发高活性催化剂。
参考文献：
Lulu Chai et al. Bottom-up Preparation of Hierarchically Porous MOF-modified Carbon Spheres Derivatives for Efficient Oxygen Reduction. Nanoscale, 2020.
DOI: 10.1039/D0NR00511H
https://doi.org/10.1039/D0NR00511H
