金属-有机骨架石墨烯基复合材料在电化学领域的应用

背景介绍金属有机骨架材料（Metal-organicframeworks，MOFs）作为一种新型多孔晶体材料，具有大比表面积、高孔隙率、孔结构和形态特征可调等优点。但是传统MOFs的稳定性和导电性较差，限制了其应用。利用具有丰富官能团的石墨烯基材料作为模板生长MOF颗粒，不仅可以缓解MOF导电性能差和结构不稳定的问题，而且可以避免石墨烯片间的聚集和堆积现象。由于衍生物的结构和组成可调，MOF衍生物/石墨烯材料可以广泛应用于多个领域。本文综述了近年来MOF/石墨烯复合材料在电化学领域的应用，并指出了存在的问题及以后的发展方向。文章亮点1.综述了MOF/石墨烯基复合材料及其衍生物在电池、超级电容器、催化等电化学领域的应用；2.

分析了MOF/石墨烯基复合材料的形貌、各基体材料的含量以及工作条件对其性能的影响；3.

MOF/石墨烯基复合材料的发展还需要克服一些限制，但石墨烯基材料的加入拓宽了MOF在某些领域的应用。内容介绍1介绍MOFs是一种由有机配体和金属离子/团簇通过配位键组装而成的新型晶体多孔材料。由于其独特的无机-有机杂化结构，MOF材料具有大的比表面积、高的孔隙率(高达90%的自由体积)、可调节且均匀的孔隙、充分暴露的活性位点和可调节的结构。石墨烯基材料作为共轭六边形晶格的二维碳纳米片，具有较大的理论比表面积、理想的电导率和优异的电化学稳定性。石墨烯基材料的加入增加了MOF材料的比表面积和活性位点，增强了结构稳定性，提高了电子传递速度。如图1所示，MOF/石墨烯基复合材料由于其导电性和稳定性的提高，在电化学领域得到了广泛的应用。图1

MOFs/石墨烯基复合材料在电化学领域的应用：电池、超级电容器、催化Fig.1

CommonapplicationsofMOFs/graphene-basedcompositesinelectrochemicalfilds：Batteries,supercapacitors,catalysis2电池随着便携式电子产品功能的复杂化和对可再生能源存储需求的增加，需要开发能量密度更高、质量更高、循环寿命更长的可充电电池来替代传统的铅酸电池。2.1

锂硫电池由于其重量轻、能量密度高的优点，LSBs已成为下一代储能器件。2.2

锂离子电池(LIBs)LIBs被认为是最有前途的能源之一，广泛应用于便携式电子设备。随着电动汽车、混合动力汽车等大型储能设备需求的增加，高功率和能量密度的锂离子电池的开发成为一个活跃的研究领域。如图2a所示，Gao等以便宜、环保的铝为中心金属制备了Al-MOF颗粒，并均匀涂覆石墨烯，得到了Al-MOF/石墨烯复合材料（图2b），作为LIBs的负极材料表现优异。Al-MOF/石墨烯是通过带正电荷的Al-MOF粒子和带负电荷的GO片之间的静电力引入GO合成的。图2

MOFs/石墨烯基复合材料关于锂离子电池应用的制备示意图、性能图与电镜图Fig.2

Preparationdiagram,performancediagramandelectronmicroscopediagramofMOFs/graphene-basedcompositeforlithiumionbatteryapplication3超级电容器随着全球能源问题的日益严重，除电池外，超级电容器(SC)作为一种极具潜力的储能设备也被广泛研究。由于其功率密度高、寿命长等优点，在便携式电子产品和电动汽车领域引起了广泛的关注。如图3a所示，由ZIF-8衍生的多孔碳多面体原位锚定在石墨烯的表面，形成纳米结构的HC，作为柔性SC的电极材料，这是由Liu等提出的。图3

MOFs/石墨烯基复合材料关于超级电容器应用的制备示意图、性能图与电镜图Fig.3

Schematicdiagram,performancediagramandelectronmicroscopeofMOFs/graphene-basedcompositematerialforsupercapacitorapplication4电催化随着能源消费增长趋势的日益明显，人们对环境友好型能源的研究投入了大量的精力。ORR、OER和析氢反应(HER)的电化学反应具有重要的应用价值，已广泛应用于燃料电池和电池的储能。开发这些反应的高效催化剂有助于解决全球储能问题。原位法是获得最佳ORR电催化剂的常用方法。如图4a所示，Tang等采用三步封闭煅烧法煅烧原位法制备的Co-MOF-GO/尿素复合材料，得到高石墨化、高氮含量的ORR催化剂材料Co-GO-C/N（图4c,4d）。图4

MOFs/石墨烯基复合材料关于电催化应用的制备示意图、性能图与电镜图Fig.4

Preparationdiagram,performancediagramandelectronmicroscopediagramofMOFs/graphene-basedcompositeforelectrocatalyticapplication5结论和展望在过去的十年中，MOFs由于其独特的特性，包括大比表面积、高孔隙率和可调节的孔隙结构，得到了广泛的研究。然而，由于其导电性能和稳定性较差，使得其发展受到限制。为了克服这一问题，提高MOFs的性能，人们提出将MOFs与增强材料相结合形成复合材料。由于石墨烯基材料具有低毒、良好的导电性和稳定的