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Catalysts by pyrolysis: Transforming metal-organic frameworks (MOFs) precursors into metal-nitrogen-carbon (M-N-C) materials

热解 催化作用 金属有机骨架 材料科学 电催化剂 碳纤维 化学工程 金属 过渡金属 化学 有机化学 吸附 冶金 电化学 复合材料 复合数 电极 物理化学 工程类
作者
Ying Huang,Yechuan Chen,Mingjie Xu,Alvin Ly,Albert Gili,Eamonn Murphy,Tristan Asset,Yuanchao Liu,Vincent De Andrade,Carlo U. Segre,Alex Deriy,Francesco De Carlo,Martin Kunz,Aleksander Gurlo,Xiaoqing Pan,Plamen Atanassov,Iryna V. Zenyuk
出处
期刊:Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:69: 66-78 被引量:64
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2023.08.007
摘要

Metal-organic framework (MOF) materials are promising precursors to transition into metal-nitrogen-carbon (M-N-C) catalysts with high catalytic performance. Pyrolysis is one of the most common ways to convert MOFs into electrically conductive MOF-derived M-N-C catalysts. General interests in using MOFs as precursors derive from changing the MOFs' porous structure into the carbonaceous frame. However, this favorable structure is not always maintained, with the reason unidentified since pyrolysis is currently still more of an empirical process. Understanding the pyrolysis processes leading to the transformation of MOFs into M-N-C catalysts is essential to broaden the development of MOF-derived catalysts. We report here complete chemical and morphological evolution and transformation of two commercial MOFs with the same sodalite topology, the ZIF-8 and ZIF-67, via series of in situ and ex situ techniques. The results reveal that the structure of the ZIF-67 collapses after the pyrolysis due to the graphitization of the carbon. Graphitization is catalyzed by the metallic cobalt particles formed when the temperature rose above 460 °C. The ZIF-8 was found to be a promising precursor material since most of the metal evaporates at the early stages and does not aggregate to form metal particles. However, the insufficient metal-N active sites and intrinsic low electrocatalysis availability of Zn limit the performance of the final catalyst. To maintain the porous structure of MOFs it is important to control the metal species and prevent them from agglomeration. Direct utilization of high-concentration MOFs as pyrolysis precursors is not recommended without rational design to inhibit agglomeration and graphitization that are undesirable for catalyst activity.
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