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2019-07-14
金属-有机凝胶(Metal-Organic Gel, MOG)是一种由金属离子和有机配体经配位组装形成的非晶态配位聚合物网络结构，作为一类新型功能材料具有大的比表面积和可调的孔隙结构。相比于结晶性的金属有机框架(Metal-Organic Framework, MOF)，非晶态MOG可在常压、室温等温和条件下合成，且反应时间短，可大规模制备。基于MOG独特的化学组成(单一分散的金属离子和丰富的有机配体)和三维凝胶网络结构，将MOG直接碳化获得杂原子掺杂碳材料及其复合结构，有望被应用于电化学能量转换等领域。然而，由于有机配体热稳定性差，MOG通常在高温碳化条件下结构不稳定，而单分散的金属离子在高温热解过程中也会不可避免地聚集形成大颗粒，导致大部分暴露的活性位点失效，从而展示出较差的电化学活性。因此，开发具有良好结构稳定性和金属分散性的MOG，并通过高温碳化制备具有高导电性、多级孔结构和富含杂原子的碳材料及其复合结构，具有非常重要的研究和应用前景。
东华大学刘天西教授团队提出了一种基于双金属-有机凝胶(Bimetal-Organic Gel, BMOG)的自模板碳化通用合成新策略，成功制备了具有异质结构的过渡金属磷化物@氮/磷共掺杂碳准气凝胶(Transition Metal Phosphide@Nitrogen, Phosphorus Co-doped Carbon Quasi-aerogels, TMP@NPCA)。该碳准气凝胶呈现由大量纳米级碳颗粒组成的三维网络结构，微观结构与碳气凝胶高度相似，其连续的三维网络结构可在纳米尺度控制和剪裁。在自模板碳化过程中，BMOG中所含的有机配体与Zn/M (M = Co, Fe, Ni)双金属簇分别起到了不同的作用，其中，富含碳-氮-磷元素的有机配体可以碳化形成氮/磷双掺杂碳材料，Zn离子能够大幅度提升碳化产率和碳化过程中微观结构的稳定性，而螯合的M离子可以通过独特的自磷化过程形成在三维碳准气凝胶骨架中均匀分布的TMP纳米颗粒。由于具有良好的导电/传质特性和均匀分布的活性位点，该TMP@NPCA复合结构表现出卓越的氧还原(ORR)-氢析出(HER)双功能催化活性。因此，基于配位聚合物凝胶的自模板碳化通用合成策略成功实现了TMP纳米组分(多功能催化活性)与碳气凝胶结构特性(三维导电通路、高孔隙率、高比表面积)的完美结合，为发展低成本和高性能的双功能电催化剂提供了有益借鉴。
该研究工作发表于Advanced Functional Materials杂志，东华大学硕士生郭和乐和博士生封其春为共同第一作者，刘天西教授和张超研究员为共同通讯作者。
参考文献：Hele Guo†, Qichun Feng†, Kaiwen Xu, Jingsan Xu, Jixin Zhu, Chao Zhang*, Tianxi Liu*. Advanced Functional Materials, 2019, DOI: 10.1002/adfm.201903660.
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