源自金属有机框架（MOF）的碳材料的应用

电化学储能设备为从可再生的但间歇性的能源（如风，阳光，生物燃料，水力发电，地热等）中存储电能提供了一种有前途的方法。

当前，含碳材料因其广泛的应用而引起了广泛的兴趣，包括吸附，催化，电池，燃料电池，超级电容器以及药物输送和成像。此外，某些传感器也是含碳材料的重要应用之一，因为它们与人体健康密切相关。

制备碳材料的方法有多种，例如从有机前体直接碳化，从碳物理或化学碳化，使用沸石和中孔二氧化硅的模板方法，高温的溶剂热和水热方法，电弧法和化学方法。气相分解（CVD）方法。

在所有这些方法中，由于有机前体的柔韧性和简单性，直接从有机前体碳化是制备纳米孔碳的最常用方法。但是，这些材料存在某些缺点，例如表面积低，结构混乱和尺寸不均匀，这将极大地限制其应用。

但是，研究人员发现，源自金属有机骨架（MOF）的碳材料可以克服这些限制（请阅读我们的金属有机骨架入门）。

MOF是有机-无机杂化晶体多孔材料，由单金属离子或通过多官能有机配体连接的金属簇组成。与其他多孔材料相比，MOF提供了独特的结构多样性，从而可以成功控制框架拓扑，孔隙率和功能。

源自MOF的碳材料具有源自其MOF的各种优势，例如高孔隙率（高达90％），极高的表面积（近10000 m 2 g -1），可调节的孔径以及出色的循环寿命。

结果，MOF衍生的碳材料已显示出令人鼓舞的应用，包括吸附，能量存储和转化，气体存储和分离，催化，化学传感和固相萃取。

发表在《高级材料》（“金属-有机框架衍生的碳材料的应用”）中的一篇综述文章总结了MOF衍生的碳材料的应用。

作者致力于电池，超级电容器，电催化反应（包括氧还原反应，析氧反应和析氢反应）以及水处理中的应用。

MOF衍生的碳材料及其有前途的应用。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）

电池的金属-有机框架衍生碳材料

为了提高电池的电化学活性，研究人员还设计和研究了源自MOF的碳材料。由于在制造过程中控制电极材料的形态对电池的化学性能具有重要意义，因此该评论列出了这些应用在不同类型的电池（锂离子电池，锂硫电池，钠离子电池等）中的应用。根据电极中碳质材料的形态，选择各种电池（例如锂-硒电池）。

本节详细讨论了正在为电池开发的各种碳材料：普通多孔碳；碳纳米片；碳纳米笼 和其他形态，例如长方体和纳米棒。

在回顾文献时，作者得出的结论是，已经通过控制碳化温度，调节各种形态和改变反应条件，将大量MOF衍生的碳材料应用于电池。

金属-有机框架衍生的超级电容器碳材料

电化学电容器，也被称为超级电容器，是电化学能量存储设备，其提供比电池更高的功率密度和比传统的介电电容器更高的能量密度。

超级电容器具有快速充电和放电以及极长的循环寿命的巨大优势。但是，与电池相比，它们的能量密度可能较低。当使用不同类型的电极时，超级电容器可能是更复杂的设备，因为复合电极可以执行电容性和法拉第电荷存储。

本部分综述总结了一些典型的超级电容器，这些超级电容器按其电极材料分类：纳米多孔碳；金属氧化物/碳复合材料；和其他纳米复合材料。

金属-有机框架衍生的碳材料用于电催化反应

尽管在基于MOF的材料的设计和应用方面已经取得了巨大的进步，但是直到最近，它们在电化学催化领域的潜在应用才引起了研究人员的注意。

燃料电池，特别是H 2 / O 2或H 2 /空气电池，已成为有前途的候选者，可为车辆提供能量并将H 2（与O 2或空气一起）转化为间歇性可再生资源（例如阳光，风和浪）产生的能量。

OER是阳极反应，其中H的核心步骤2在溶剂中O的氧化至O 2，和ORR是阴极反应的主反应，可形成为O 2被还原成生成H 2 ö 2经由2 -电子途径，或H 2 o通过一个4 -电子通路。

综述集中在基于MOF的材料作为催化剂在这些重要的能量转换电化学反应中的应用，这些反应包括氧还原反应，氧释放反应和氢释放反应。

金属-有机框架衍生的碳材料，用于水处理

为了减少和/或去除环境污染物已经做出了许多努力，并且出现了许多环境污染处理技术，例如生物处理，化学氧化，吸附和膜分离方法等。

其中，吸附方法一直受到青睐。高比表面积，高孔隙率和可调节孔隙率，结构组成的多样性，开放的金属位点以及化学改性的优点使MOF衍生的碳材料（特别是ZIF-8衍生的多孔碳）成为应用中的优异材料。吸附，因为它们增加了活性位。

最后，作者总结了该领域的一些主要挑战：

1）大多数MOF衍生的碳材料的制备路线取决于高温煅烧。但是，煅烧通常会破坏MOF的有序结构和多孔形态，甚至导致聚合反应，从而削弱催化活性。因此，通常优选低反应温度。

2）关于MOF衍生的碳材料的大多数研究仍集中在制备和表征上，但是对它们在反应中的机理的研究还不是很成熟。

迫切需要对MOF和其他组分之间的界面相互作用有透彻的了解和掌握，因为它们可以为优化MOF衍生碳材料的合成工艺提供指导，以提高性能。

3）尽管已经推荐了一些策略来增强MOF膜和载体之间的牢固性，例如旋涂聚合物粘合剂或烷基官能化载体，但它们没有商业价值。因此，需要一种通用的，低成本的且易于操作的策略。

信息来源：Nanowerk

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