由MOF出发构建Co基纳米材料用于电催化分解水

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合理构建具有特定形貌的含有前过渡金属(Mo、W)和后过渡金属(Co、Ni、Fe)的前驱体是获得双过渡金属碳(氮)化物的关键。多金属氧簇化合物(多酸)(Polyoxometalates,POMs)是由Mo(W)等前过渡金属为配原子构成的无机纳米簇。多酸具有稳定的结构,接近纳米的尺寸,是合成过渡金属碳(氮)化物的合适原料。本文设想如果将POMs限域在含有后过渡金属Co(Ni、Fe)的纳米尺度空间里,前后过渡金属会有近距离的接触,就会为获得双过渡金属碳(氮)化物提供契机。金属有机框架(Metal Organic Frameworks,MOFs)是由金属离子和有机配体配位形成的具有丰富孔的功能材料。MOFs可作为有效的催化、吸附材料。由于同时含有金属组分和碳源,MOFs可用于合成过渡金属氧化物、磷化物以及多孔碳等催化、储能材料。MOFs具有丰富的接近纳米尺度的孔,而多酸簇具有纳米级的尺寸,因此将MOFs和多酸簇有效结合获得包含前过渡金属Mo(W)和后过渡金属Co(Ni、Fe)的材料,为合成双金属碳(氮)化物提供了可能。一些研究指出通过同步组装的方法(多酸簇、后过渡金属离子及配体在溶液中自组装)可以将POMs(PMo12)和MOFs结合,获得POMs/MOFs(POMOFs)材料。在POMOF基的路线中,POMs的引入使MOFs合成体系的影响因素更多、更复杂,使获得的POMs/MOFs材料的形貌控制和组成调变受限。这些因素都不利于获得合适的前驱体以用于制备形态均一、组成可调的双过渡金属碳(氮)化物。因此,发展适合于不同结构的POMs与具有均一尺寸、形态的结构可调的MOFs有效结合的策略十分必要。事实上,MOFs丰富的孔可以提供合适的空间容纳后吸附的客体分子。因此,采用分步路线将多酸与预先制备的MOFs组装,是实现MOFs和POMs结合的一种可行的途径。与POMOF路线(同步组装路线)相比,分步路线中的MOFs预先合成,可实现MOFs形貌和尺寸的很好控制。同时这种分步组装路线使可选择的MOFs以及POMs的种类大大拓宽,为宽尺度调控材料的结构、组成提供了可能。通过调节MOFs结构(孔、笼尺寸)与POMs尺寸、电性等的匹配性(匹配原则)使两者组装,实现MOFs中后过渡金属与POMs中的前过渡金属在纳米尺度空间内接触,从而有利于在热处理过程中形成双金属碳(氮)化物。值得关心的问题是通过这种组装方法获得的POMs/MOFs是否可用做制备中空结构的前驱体(自牺牲模板)。最近,我们以PMo12(磷钼酸,尺寸约为1 nm)为Mo源,预先合成的ZIF-67(笼尺寸约为1.16 nm,与多酸簇尺寸匹配)为钴源进行了初步的探索。结果显示设计合理路线可以使两者有效组装。通过控制氮化条件,可以实现前驱体到中空结构的双金属氮化物的转化,证明拟采用的后组装方法在POMs与MOFs的组装及用于合成中空双过渡金属氮化物方面的适用性。
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