Med den snabba utvecklingen av industriell teknik, energikrisen orsakad av bristen på fossil energi har varit ett växande problem. De förnybara och gröna energikällorna som bränslecells- och metall-luftbatterier betraktas som pålitliga alternativ till fossila bränslen. Syreminskningsreaktion (ORR) och syreutvecklingsreaktion (OER) är viktiga halvreaktioner i dessa applikationer. Ädelmetallkatalysatorerna används i stor utsträckning för både ORR och OER. Dock, deras brist, hög kostnad, och dålig hållbarhet hindrar kraftigt storskalig applicering. Därför, en rationell design av bifunktionella icke-dyra syreelektrokatalysatorer är mycket önskvärd.

Metall-organiska ramverk (MOFs), en ny klass av material med speciella kemiska och fysikaliska egenskaper har rönt enorm uppmärksamhet de senaste åren för sina mångsidiga potentiella tillämpningar. Nyligen, att tillämpa MOF:er i elektrokemiska reaktioner har varit ett framväxande forskningsfält eftersom den höga ytan hos MOF:er kan maximera densiteten av aktiva platser, och de speciella kemiska strukturerna hos MOF ger en skräddarsydd mikromiljö för kontrollerbar reaktion i porerna. Dock, användning av MOFs direkt i elektrokatalysfältet rapporteras sällan på grund av deras låga jontransport och ogynnsamma elektriska ledningsförmåga.

Att kapsla in nanopartiklar i ihåliga mesoporösa kolsfärer (HMCS) är en klassisk design. Denna design är användbar för att stabilisera katalytiskt aktiva platser, öka den elektriska ledningsförmågan och minska masstransportlängderna. Gula-skalstrukturen som metalliska nanopartiklar @kol och metalloxid@kol har använts i stor utsträckning i litiumbatterier, katalys, och inom andra områden. Dock, utformningen av MOFs@HMCS äggula-skal strukturerat hybridmaterial har inte rapporterats ännu. Därför, det antas att den utarbetade kombinationen av MOF:er med HMCS för att konstruera ett äggula-skal-strukturerat hybridmaterial effektivt kommer att övervinna den tidigare nämnda bristen hos MOF-material inom elektrokatalysområdet.

Som svar på denna utmaning, nyligen, forskargruppen ledd av prof. Cao Rong från Fujian Institute of Research on the Structure of Matter vid den kinesiska vetenskapsakademin designade ett äggula-skal strukturerat ZIF-67@HMCS hybridmaterial genom att använda ZIF-67 som kärna och ihåliga mesoporösa kolsfärer (HMCS) som skal. Partikelstorleken hos ZIF-67 kontrolleras väl genom att använda den rumsliga inneslutningseffekten från HMCS, vilket förkortar diffusionsvägarna och förbättrar jontransporten. Inkapsling av ZIF-67 i HMCS ökar också dess ledningsförmåga markant. Dessutom, de typiska hierarkiska porstrukturerna hos HMCS garanterar diffusion av reaktiva arter till de exponerade aktiva platserna för ZIF-67 snabbt och effektivt, och därmed förbättra den elektrokemiska aktiviteten. ZIF-67@HMCS hybridmaterialet uppvisar överlägsen bifunktionell elektrokatalytisk aktivitet mot både ORR och OER. Vad mer, det sammansatta Zn-air-batteriet av ZIF-67@HMCS som luftkatod ger också imponerande prestanda och långsiktig stabilitet.

Detta bifunktionella äggula-skal strukturerade hybridmaterial kan vara en lovande kandidat som en elektrokatalysator i bränsleceller och elektrolysörer för förnybara energitillämpningar. Detta arbete banar också ett nytt sätt att designa stabila MOF:er som används direkt som högeffektiva elektrokemiska katalysatorer i lovande energilagringsenheter för att möta den växande efterfrågan på stabil energiförsörjning.