米乐m6官方网站[理事长：中钵良二]（以下简称“AIST”）能源化学材料开放创新实验室[实验室主任：徐强]（以下简称“ChEM-OIL”）魏永生研究员和实验室主任徐强，以及徐强博士等人多孔配位聚合物（金属有机框架，MOF）和封装的金属高度分散的碳催化剂，其中廉价的铁和镍通过碳纳米管固定和连接。
迄今为止，人们一直在寻找具有中空结构和入口和出口的MOF以促进传质。这次，我们合成了母体MOF，并与新的有机分子重新加热，首次合成了带孔的胶囊状MOF（开胶囊MOF）。这种开放式胶囊 MOF 和新型碳源在特殊条件下烧制，并在此过程中形成碳纳米管 (CNT)连接的胶囊金属高度分散碳催化剂被合成。这个与 CNT 连接胶囊金属高度分散碳催化剂作为电催化剂表现出与贵金属催化剂相当的高性能。该催化剂用于水电解锌空气电池的电极，有望为氢能社会和下一代电池做出贡献。
该技术的详细信息已于 2019 年 5 月 1 日发表在《美国化学会杂志》(DOI:101021/jacs9b02417) 上。
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| 两步合成开囊MOF的合成及电子显微镜图像 |
近年来，氢能和高性能电池有望成为实现可持续社会的重要能源系统。支持这些设备的电极材料使用资源有限的稀有金属，例如昂贵的铂。因此，需要开发廉价且资源限制较少的不含稀有金属的材料。
产业技术研究院一直致力于将作为下一代多孔材料而受到关注的MOF应用于能源领域。通过选择材料的组合，可以设计和合成具有各种结构的MOF，然后在高温下烧制。功能碳材料的合成方法这次，我们致力于开发一种由碳纳米管连接的高度分散的金属碳催化剂，作为一种具有可与铂催化剂相媲美的高性能的稀有金属材料。
图1显示了新开发的开放胶囊MOF的合成方法。首先，通过在溶剂中加热廉价的铁离子和镍离子与有机分子反应，合成内部填充的 MOF。当它在溶剂中再次与另一种有机分子反应时，新的骨架结构围绕着MOF，同时MOF内部被洗脱，形成中间体。之后，如果内部MOF完全洗脱，则可以合成仅在壁上具有骨架结构的胶囊状MOF。这种胶囊状的 MOF 有孔（开放的），被认为有助于物质从外部转移到内部。事实上，当硫和碘吸附在普通MOF中时，每1克MOF可以储存072克硫和138克碘，但新开发的开放胶囊MOF被发现能够储存2克硫和257克碘。这些数量是迄今为止已知存储量的两倍多，开放胶囊MOF可能适用于后锂电池以及锂硫电池和锂碘电池，这些电池被认为是有前途的下一代电池。
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| 图1 CNT连接的胶囊状金属高度分散碳催化剂的合成 |
当新开发的开放胶囊MOF和新型有机分子在特殊条件下高温烧制时，在MOF碳化的同时从表面形成CNT，从而形成连接的封装金属高度分散的碳催化剂。如图2所示，这些胶囊以碳为基体，铁和镍几乎均匀分散，这些金属在烧成过程中的催化作用促进了碳的石墨化，进而形成高导电性的碳纳米管，将胶囊彼此连接起来，使催化剂具有高导电性。
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| 图2 无稀有金属的CNT连接胶囊金属高度分散碳催化剂的电子显微镜图像（左）和元素图谱（右） |
新开发的CNT连接胶囊金属高分散碳催化剂作为产氧电极时过压电压为025 V，是迄今为止报道的最小的电催化剂之一。实际上水电解10 mA/cm，电压为 159 V2和高耐用性。此外，当这种金属高分散碳催化剂用作锌空气电池中的空气电极时，其表现出超过市售铂/碳催化剂的活性和寿命。
当使用使用CNT连接的胶囊金属高分散碳催化剂作为氢发生电极和氧发生电极的水电解系统使用使用CNT连接的胶囊金属高分散碳催化剂作为空气电极的锌空气电池来驱动时，氢气(H2) 和氧气 (O2) 发生（图 3）。新开发的金属高度分散碳催化剂不含稀有金属，具有可与贵金属媲美的高性能，有望用作支持氢能源和下一代电池的电极催化剂。
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| 图3 使用CNT连接的封装金属高分散碳催化剂作为电极、使用锌空气电池作为电源的水电解示例 |
未来，我们的目标是基于MOF精密设计技术和碳材料技术开发更高性能的无稀有金属催化剂，为支持可持续社会的能源系统的实际应用做出贡献。
国立产业技术综合研究所
AIST/京都大学能源和化学材料开放创新实验室
实验室主任徐强qxu*aistgojp（发送前请将*改为@。）