Engineering nanostructures of PGM-free oxygen-reduction catalysts using metal-organic frameworks

催化作用 材料科学 电化学 质子交换膜燃料电池 金属有机骨架 化学工程 电化学能量转换 纳米技术 纳米结构 金属 无机化学 电极 化学 有机化学 冶金 吸附 物理化学 工程类
作者
Hanguang Zhang,Hannah Osgood,Xiaohong Xie,Yuyan Shao,Gang Wu
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:31: 331-350 被引量:320
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2016.11.033
摘要

Oxygen reduction reaction (ORR) is one of the essential electrochemical reactions for the energy conversion and storage devices such as fuel cells and metal-air batteries. However, a large amount of Pt is required for catalyzing the kinetically sluggish ORR at the air cathode, therefore greatly limiting their large scale implementation. Development of high-performance platinum group-metal (PGM)-free ORR catalysts has been a long-term goal for these clean energy technologies. However, current PGM-free catalysts are still significantly suffering from insufficient activity and limited durability especially in more challenging acidic media, such as proton exchange membrane (PEM) fuel cells. Recently, metal-organic frameworks (MOFs), constructed from bridging metal ions and ligands, have emerged as a new type of attractive precursors for the synthesis of PGM-free catalysts, which has led to encouraging performance improvement. Compared to other catalyst precursors, MOFs have well-defined crystal structure with readily tunable chemistry and contain all required elements (e.g., carbon, nitrogen, and metal). Here, we provide an account of recent innovative PGM-free catalyst design and synthesis derived from the unique MOF precursors with special emphasis on engineering nanostructure and morphology of catalysts. We aim to provide new insights into the design and synthesis of advanced PGM-free catalysts with increased density of active sites and controlled bonding in 3D frame network. In addition, we also discuss the possibility to use the well-defined MOF precursors for building up model systems to elucidate the structure-property correlations and the nature of active sites.
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