【科普系列】基于MOFs的碳纳米管复合材料的制备和应用进展 | 材料工程

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    碳纳米管（CNTs）具有较高的弹性模量和抗拉伸强度等优异的力学性能且具有良好的导电和导热系数，然而，碳纳米管受一维材料的局限，比表面积上限较低，要实现均匀的负载纳米级的金属颗粒在制备和应用过程中，对其组成、分布、负载方式以及稳定性提出了极高的要求，且制备碳纳米管的方法已经较为固定，对温度有着较高的要求且容易产生杂质。

    金属有机框架材料（MOFs）具有超高的比表面积上限以及高孔隙率、形貌及孔径可控、高度分布有序的金属活性中心等特点，在高温碳化后可形成多种纳米多孔碳金属颗粒/金属氧化物/单原子结构的碳基材料。然而碳主要来自于各类有机配体，使得MOFs材料本身导电性极差，且碳化过程中的石墨化程度、孔道保持程度以及结构完整性程度十分有限，制约了MOFs衍生材料的进一步发展。

    因此，MOFs和CNTs的复合可以实现结构和性能上的多方面互补和提升。目前MOFs与CNTs的复合材料类型主要有两种，一种是在MOFs生长过程中添加CNTs，利用CNTs的高导电性在一些领域可直接应用而无需进一步高温碳化，避免了MOFs发生孔道塌陷导致比表面积降低的情况出现；另一种是MOFs碳化过程中直接在表面或内部形成CNTs，利用本身高度有序分布的金属中心解决催化剂活性位点负载的均匀性和稳定性的问题，同时大大提高了材料整体的电子传输能力。

1.2 MOFs原位生长CNTs制备MOFs/CNTs复合材料

    在一些MOFs材料的高温碳化过程中，不同的MOFs材料在不同的气体氛围以及碳化温度下金属中心除了会生成多价态的金属氧化物外还会有部分被还原成金属单质，一些MOFs材料本身的碳骨架就可作为合适的碳源，被附近具有催化活性的金属单质催化生成CNTs，进而形成MOFs/CNTs复合材料，原位制备方法使碳纳米管和MOFs衍生碳材料有着更好的连接性，且降低了制备CNTs的成本。

2.2 锂电池电极材料研究进展

   随着应用的发展石墨已经达到了商用锂电池的性能极限，过渡金属磷酸盐类是一种新型的高容量电极材料，锂硫化物及硒化物等理论能量密度也非常高但其自身的绝缘性、溶解度太高且体积变化太大等问题一直在限制其进一步发展。由于在MOFs合成过程中难以直接掺杂P，S等使其配位，无法直接碳化得到均匀负载的金属磷、硫化物，在碳化时可以将磷酸二氢钠、硫粉等和制备好的MOFs衍生材料置于石英舟上游和下游端或者提前进行混合研磨，使用气相沉积的方式得到。

2.3 催化领域研究进展

    在开发高效的能量存储转换和可再生能源方面，电催化反应氧化还原反应、析氧反应等因缓慢的动力学反应一直存在能量利用率低、输出功率低的问题。催化性能较好的催化剂主要是贵金属及其氧化物，高成本、稀缺性，而且部分对OER表现出优异性能的催化剂往往对ORR的催化效果较差，反之亦然。过渡金属氧化物和氢氧化物被认为有希望替代贵金属，但固有的导电性较差。石墨烯、镍泡沫等碳材料进行复合可以提高电子传输效率，但直接暴露出的活性中心容易从基质表面脱落从而导致稳定性较差。MOF@CNTs这一新的复合方式能使活性位点稳定的包裹在碳基体中，并且高表面积和多孔结构为电解质的扩散提供了很好的通道。

2.4 吸附及传感领域领域研究进展

    气体吸附是MOFs材料最初的研究领域，其高比表面积一直是气体储存方面的一大结构优势，且某些特定的MOFs材料对特定的气体有一定的吸附力，也可用于气体分离。CNTs的存在则可以降低吸附温度、提升材料部分机械性能，对吸附选择性方面也有一定影响。在生物医学领域中，多种生物体液共存是很常见的现象，但含量水平出现异常也会导致多种疾病的发生。商业常规电极由于易污染、电位重叠等原因同时检测多种物质一直非常困难，MOFs/CNTs材料在这一领域的应用也表现出了某些良好的特性。

原文出处 :

基于MOFs的碳纳米管复合材料的制备和应用进展

2021，49（9）：27-40

乔俊宇，李秀涛

doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000599

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