三单位联合JACS：开放多孔MOF的选择性刻蚀，显著增强氧还原反应活性

为了实现全球碳中和及缓解能源危机，需要开发出能代替传统化石能源的清洁可再生能源。然而，由于可再生能源固有的不稳定性，迫切需要一个高效的能源存储策略来克服上述问题。

最近，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种有前途的能量转换装置而引起人们广泛关注。然而，质子交换膜燃料电池需要大量的铂族金属(PGM)催化剂来克服氧还原反应(ORR)动力学的缓慢，Pt金属高昂的价格和稀缺性限制了其大规模应用。因此，开发不含PGM的催化剂对于加速PEMFC的实际应用具有重要意义。

近日，名古屋大学Yusuke Yamauchi、华东师范大学韩布兴、Xia Wei和南京航空航天大学何建平等报道了一种通过螯合剂辅助选择性刻蚀来构建金属有机骨架开孔结构的方法。

具体而言，研究人员选用同时含有S和O元素的二甲酚橙(XO)作为螯合剂，通过与酸性刻蚀剂中的质子结合，在初始阶段保持较低的初始质子浓度，从而实现对极性晶面的选择性刻蚀。同时，刻蚀过程中在前驱体上引入S和O元素，制备出高效的ORR催化剂(开孔Fe原子锚定N，S共掺杂碳，OP-Fe-NC)。最重要的是，明确的开孔结构和清晰的形态结构为构建有限元模拟模型提供了基础，有助于深入研究结构与氧气扩散浓度的关系。

性能测试结果显示，OP-Fe-NC催化剂在酸性介质中表现出0.89 V的半波电位(E_1/2)，比商业Pt/C催化剂高20 mV，是以前报道的非PGM催化剂中的最高水平。此外，在MEA内，OP-Fe-NC在0.9 V时(无iR补偿)产生29 mA cm^-2的电流密度。

有限元模拟结果表明，开孔结构作为一个相互连接的通道，有效地降低了O₂在膜电极内的输运阻力。密度泛函理论(DFT)计算进一步表明，S和O原子的掺杂降低了ORR反应的能垒，同时轴向O配位和周围的S原子调节了Fe-N₄位点的电子结构，优化了反应物中间体的吸附，最终导致ORR反应活性显著提高。

综上，该项工作证明显示出开孔结构和高活性的OP-Fe-NC在燃料电池应用中的潜力，也为新型储能转换装置提供了一种新的合成方法和催化剂设计思路。

Selective etching of metal–organic frameworks for open porous structures: Mass-efficient catalysts with enhanced oxygen reduction reaction for fuel cells. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c05544