金属-有机框架衍生中空超级结构的研究进展: 合成与应用

doi:10.7503/cjcu20220613

摘要/Abstract

摘要：

金属-有机框架(MOF)衍生功能材料的合理设计对于其应用具有重要意义. 以简单MOF衍生物为基本单元组装成中空超级结构(HSSs)是提升材料性能的有效策略. 目前关于MOF衍生物的综合评述已有诸多报道, 然而鲜少针对HSSs的构筑和应用. 本文系统总结了MOF衍生HSSs相关研究的最新进展. 首先, 根据结构差异将MOF衍生HSSs分为5种类型; 其次, 总结了由MOF衍生物构建HSSs的策略, 着重阐述如何设计MOF前驱体和选择转化条件; 随后, 展示了MOF衍生HSSs在能源和催化相关领域的一些应用；最后, 提出了MOF衍生HSSs研究领域所面临的挑战和机遇, 旨在为MOF衍生材料的结构设计和性能强化提供一些思路.

关键词: 金属-有机框架, 功能材料, 中空超级结构, 合成, 应用

Abstract:

Rational design of metal-organic framework（MOF） derived functional materials with elaborate structures is of great significance for diverse applications. Assembly of simple MOF derivatives as building blocks into hollow superstructures（HSSs） represents a promising strategy for creating higher-order structures with improved performance. Even many excellent reviews on MOF derivatives have been reported， a dedicated review from the angle of synthesis and applications of HSSs is still lacking. Here we provide a timely and systematic review on the recent advances of MOF derived HSSs. Firstly， five types of MOF derived HSSs are classified according to their architectural features. Then， the synthesis strategies for creating HSSs from MOF derivatives are summarized， with an emphasis on how to design MOF precursors and select conversion conditions. Afterwards， the promising applications of MOF derived HSSs in energy and catalysis related fields are highlighted. Finally， our perspectives on challenges and future opportunities in MOF-derived HSSs are presented， aiming to provide guidance for the design of advanced MOF derivatives with intricate structures and enhanced properties.

Key words: Metal-organic framework, Functional material, Hollow superstructure, Synthesis, Application

中图分类号:

O611

TrendMD:

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图/表 16

Fig.1 Schematic illustration of the fabrication process of Co atom embedded carbon micro⁃urchins(A)[58], illustration of the formation process of spherical HSSs of carbon nanorods(B)[49], schematic representation of the synthesis of frame⁃like Co⁃Fe oxide(C)[87]（A） Copyright 2019， Elsevier；（B） Copyright 2019， Wiley-VCH；（C） Copyright 2017， American Association for the Advancement of Science.

Fig.2 Illustration of the fabrication of FeCoNi decorated carbon HSSs(A)[81], a scheme of the construction of HSSs composed of Co/Cu mixed oxide nanorods(B)[90], a scheme of the formation process of hollow Co, N⁃doped carbon nanotube arrays(C)[75]（A） Copyright 2021， American Chemical Society；（B） Copyright 2019， Wiley-VCH；（C） Copyright 2019， Elsevier.

Fig.3 Schematic illustration of the synthetic process of NiCo2O4 hollow nanowall arrays(A)[79], illustration of the fabrication process of 1D carbon HSSs(B)[78]（A） Copyright 2017， Wiley-VCH；（B） Copyright 2017， Wiley-VCH.

Fig.4 Scheme of the fabrication of pacman⁃like Ti⁃CoS x HSSs[83]

Fig.5 Synthetic route of hierarchical Co9S8@ZnIn2S4 composite HSSs(A)[94], illustration of the synthetic process of HSSs comprised of Ni⁃Co sulfide nanosheets(B)[97]（A） Copyright 2018， American Chemical Society；（B） Copyright 2017， Wiley-VCH.

Fig.6 Schematic illustration of the synthesis of single and double shelled Ni⁃Fe LDH HSSs(A)[69], SEM images of ZIF⁃67 and derived HSSs of hierarchical CNTs frameworks(B)[52]（A） Copyright 2020， Wiley-VCH；（B） Copyright 2016， Springer Nature.

Table 1 Architectural types, composition and performance of MOF derived HSSs

Architectural type	Composition	Application	Ref.
Type I	Fe₂O₃	LIBs	［89］
	NiCo⁃LDH/Co₉S₈	HER/supercapacitors	［97］
	NiCoP/C	OER	［54］
	Co₃O₄/NiCo₂O₄	OER/pseudo⁃capacitors	［50］
	Ni⁃Fe LDH	OER	［69］
	Ni⁃Co⁃MoS₂	HER	［59］
	ZnCo⁃OH	Photocatalytic CO₂ RR	［51］
	CoS⁃NP/CoS⁃NS	Supercapacitors	［71］
	FeCoS₂⁃CoS₂	Photocatalytic CO₂ RR	［60］
	Ni₃S₄@Co₉S₈	Supercapacitors	［70］
	ZnS NR@HCP	LIBs	［48］
	CoO/Co⁃Cu⁃S⁃2	Supercapacitors	［90］
	FeCoNi/HCS	ORR/OER	［81］
	Co⁃Fe alloy/N⁃C	ORR	［68］
	ZnO/ZnFe₂O₄/C	LIBs	［67］
	Pd@SS⁃CNR	Heterogeneous catalysis	［49］
	Co⁃Fe oxides	OER	［87］
	Cu（NiCo）₂S₄/Ni₃S₄	Supercapacitors	［63］
	Cu doped Co₃O₄	Heterogeneous catalysis	［135］
Type II	Co₃S₄@MoS₂	HER/OER	［72］
	Co₉S₈@ZnIn₂S₄	Photocatalytic HER	［94］
	Co/NGC@ZnIn₂S₄	Photocatalytic HER	［73］
	In₂S₃⁃CdIn₂S₄	Photocatalytic CO₂ RR	［96］
	ZnIn₂S₄⁃In₂O₃	Photocatalytic CO₂ RR	［95］
Type III	Co SAs/N⁃C	ORR/OER	［58］
	Co_1-_x S@C	Pseudo⁃capacitors	［74］
Type IV	NiCo₂O₄	OER/supercapacitors	［79］
	Mo⁃CoP//Mo⁃CoOOH	Water splitting	［80］
	Fe⁃Co⁃S/NF	Supercapacitors	［57］
	Ni₂P/（NiFe）₂P（O） NAs	OER	［82］
	MoS₂/CoS₂	HER	［76］
	NCPFs	Supercapacitors	［77］
Architectural type	Composition	Application	Ref.
Type IV	HPCNFs⁃N	Supercapacitors	［78］
	HCA⁃Co	OER/ORR/batteries	［75］
Type V	Co₃O₄/ZnFe₂O₄	Supercapacitors	［62］
	NCNTFs	ORR/OER	［52］
	N⁃CNTs	ORR/LIBs	［53］
	CoP@HPCN	Lithium⁃sulfur batteries	［61］
	CoP@N⁃HP/CT	SIBs	［124］
	Ti⁃CoSx	OER	［83］
	Ti⁃ZnCoS	ORR	［85］
	CoS₂	LIBs	［88］
	Co₃O₄	LIBs	［84］

Fig.7 SEM(A) and TEM(B) images of HPCNFs⁃N, specific capacitance of HPCNFs⁃N and control samples(C), cycling stability(D)[78]

Fig.8 SEM(A) and TEM(B) images of CoO/Co⁃Cu⁃S⁃2 HTHSs, specific capacitances and cycling stability of various samples(C), specific capacities and coulombic efficiencies of CoO/Co⁃Cu⁃S⁃2 HTHSs//AC hybrid supercapacitor(D)[90]

Fig.9 Schematic illustration for the synthesis process(A), charge/discharge profiles(B), rate capability(C) and cycling performance of CNT/Co3O4 HSSs(D)[84]

Fig.10 Scheme of the function of CoP@N⁃HP/CT during sodium storage process(A), rate performance of different samples at various current densities(B), long⁃term cycling performance of CoP@N⁃HP/CT anodes(C)[124]

Fig.11 Schematic illustrations of preparation route of N⁃CNTs HSSs(A), LSV profiles of different catalysts(B), K⁃L plots(C) and chronoamperometric responses N⁃CNTs⁃650(D)[53]

Fig.12 Illustration of the formation process of NiCoP/C HSSs(A), OER polarization curves(B) and Tafel slopes of different samples(C)[54]

Fig.13 CO2 photoreduction activities of different samples(A), cycle performance of In2S3⁃CdIn2S4⁃10(B)[96], photocatalytic H2 evolution activities of different samples(C), H2 evolution rate of Co9S8@ZnIn2S4 in stability tests(D)[94]

Fig.14 Schematic representation for the design of C⁃CoM⁃HNCs(A), c/c0vs. time of RhB degradation over C⁃Co⁃HNC(B), catalytic dynamics of C⁃Cu⁃HNC with different PMS concentrations(C)[135]

Fig.15 TEM(A) and HAADF⁃STEM images of Pd@SS⁃CNR(B), catalytic activities of Pd loaded carbon materials for FA dehydrogenation(C), temperature⁃dependent gas evolution over Pd@SS⁃CNR(D)[49]

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