金属有机框架衍生的磷化钴制备及其析氧性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着能源的进一步枯竭和环境污染的加剧, 迫切需要高效、清洁和可持续的新能源。风能和太阳能是有前途的可持续新能源，但它们是间歇性的，不能完全解决现有问题。可再生能源（如太阳能和风能）与电化学水分解制氢^[1]相结合，被认为是生产“绿色”氢能（H₂）的一种非常有前途的方法,这在运输和电力部门以及“难以减排”的行业脱碳方面具有巨大潜力。在水电解槽中，H₂通过析氢反应（HER）在阴极产生，同时氧气（O₂）通过析氧反应（OER）在阳极产生。这二者的反应都需要廉价、高性能的电催化剂来提高反应动力学，降低反应能垒^[2]，提高分解效率。电催化析氧反应（OER）^[3]是上述可持续能源转换和存储技术的关键半反应。不幸的是，由于其多质子耦合电子转移过程，不可避免地需要很大的过电位来克服缓慢的OER动力学。较大的过电位无疑会降低OER相关电化学反应的效率，增加相关能量转换和存储技术的成本，限制其大规模商业应用。因此，为了提高能量转换效率，迫切需要高性价比的OER电催化剂。

普遍用于析氧反应（OER）的贵金属催化剂为IrO₂和RuO₂，这二者虽然都可以通过降低极化电位从而表现出较好的电催化性能，但是鉴于这些贵金属材料高昂的成本以及有限的存储量，难以在现实的生产应用中大规模, 因此需要设计高效、经济的非贵金属析氧电催化剂。碳材料属于最典型的非金属催化剂之一，碳材料通常具有以下优点：成本低、稳定性能好、润湿性好、比表面积大、导电性好等，也成为代替贵金属基催化剂的材料之一。但由于非贵金属催化剂导电性能较为一般，活性位点少，催化效率低，难以满足实用化要求。金属有机框架（Metal organic frameworks, MOFs)^[4]是一系列高度有序的配位聚合物，由无机金属节点和有机骨架自组装而成。MOFs因其较大的比表面积，丰富且可调节的孔结构，多样化和理想的成分以及明确的金属中心而被选为新兴的OER电催化剂。MOFs的衍生材料在可调节形态和分级孔隙率方面具有很大优势。在电催化方面，MOFs也是最佳的前驱体之一，因为MOFs材料的孔隙率可以赋予它们高比表面积，且框架中离散、均匀分布的金属节点可作为电催化的潜在活性位点，加速反应物的吸附和转化过程。因而，MOFs材料在催化^[5]，传感^[6]，超级电容^[7]，电池和其他电化学应用等多个领域都有广阔的应用前景。

在金属有机框架包含的众多种类中，ZIFs(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs) 属于它的一个分支，该系列材料可以根据参与配位的金属原子的不同而再分为其他不同种类。而在众多的ZIFs材料中，被广泛应用的代表性结构当属是沸石咪唑类结构材料-67(ZIF-67)^[8]，这种材料以钴离子作为金属原子中心，2-甲基咪唑为有机配体，通常被作为前驱体。ZIF-67 具有以下优点：一，钴离子金属中心分布均匀；二，多孔道结构使其比表面积高；三，由于杂原子氮的存在，它可以提供 N 源进行原位自掺杂；四，ZIF-67还兼具了无机沸石良好的稳定性。

2. 研究内容和预期目标