CAT蓄电池尿素介导的泡沫镍支撑Ni-BTC纳米花阵列自组装作为高性能铝/海水电池的优异阴极催化剂
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卡特蓄电池 发布时间：2026-03-30 16:27:45 点击： 次
图文摘要
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引言
近年来，水下无人航行器（UUVs）发展迅速，在海底测绘、洋流特征分析和海洋生物监测等领域展现出广泛应用前景[1,2]。目前UUVs主要采用锂离子电池作为动力源，但其能量密度相对较低，且深海应用时需配备耐压壳体，这将进一步降低其有效能量密度[1,2]。此外，进一步提升锂电池能量密度可能引发安全隐患；大功率输出时的热失控甚至会导致爆炸[1,3]。因此，开发具有高能量密度且能在海洋环境中安全稳定工作的电化学储能装置，对解决UUVs面临的能源挑战至关重要。铝电池因金属铝储量丰富、价格低廉且理论容量密度达2.98 Ah g−1，以及8.1 Wh g−1的能量密度−1，这一数值在常用发电材料中居于首位，且在海水环境中表现出良好的电化学活性[1,4]。尤为突出的是，铝/水2电池体系因其仅消耗水与铝阳极、无需额外氧化剂、反应产物环境友好等特性极具吸引力，而海洋环境原位可为电化学反应提供无限的水资源[1]。然而，构建高性能铝/水2铝电池性能主要受阴极侧制约，因为该电极上发生的析氢反应(HER)是速率决定步骤，其迟缓的动力学不仅大幅限制铝/氢电池的功率输出%% 还会加剧铝阳极的自腐蚀从而降低能量密度[5,6]。目前最高效的HER催化剂是铂基材料[5,7]，但其储量稀少且价格昂贵，阻碍了铝/氢电池的实际应用2开发高效且低成本析氢反应（HER）催化剂对显著提升铝氢（Al/H）电池性能具有迫切需求。2氧（O）电池。2O batteries.
MOFs作为Al/H体系的析氢反应催化剂具有极高的应用前景。2由于其具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构以及可调控的化学成分和拓扑结构[8,9]，MOF材料被视为极具潜力的电催化剂载体。然而，目前已报道的MOF基析氢反应（HER）催化剂仍受限于本征活性低、稳定性差以及活性位点利用率不足等问题[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。这些缺陷主要源于材料缺乏适宜的电子结构、导电性较差，以及在电化学环境下MOF结构的不稳定性[[8], [9], [10], [11], [12], [13],15]。特别值得注意的是，MOF电极中聚合物粘结剂的存在会增大串联电阻并Block活性位点[13,14]，从而导致电极性能进一步下降。
金属有机框架（MOFs）的纳米结构化可显著提升其析氢反应（HER）性能，因为该策略能大幅增加活性位点的暴露程度、促进电荷传输与质量扩散，并引入独特的尺寸与形貌依赖性特性[8,16]。特别是纳米花结构——这种由纳米级花瓣或分支按类花卉图案排列而成的多级纳米结构，在HER催化中展现出优于其他纳米结构的显著优势：（1）开放结构有利于离子扩散[16,17]；（2）纳米花瓣/分支能促进电子传输[17,18]；（3）纳米花瓣/分支间高度互联进一步增强了电子传导[19,20]；（4）这些纳米花瓣/分支的聚集被极大抑制，从而实现了活性位点的高度暴露[17,21]。此外，将这些纳米花结构组装在基底上形成大面积阵列，可通过抑制由高表面能导致的随机聚集现象、改善电荷转移与传输及质量扩散性能、并增强其在苛刻电化学条件下的耐久性，从而显著提高催化效率[8,13,22]。更为重要的是，在三维纳米结构中引入配位不饱和金属（cum）位点，可为大幅提升本征析氢反应（HER）活性提供有效策略[13,23]。因此，在基底上合成并组装富含cum位点的MOF纳米花阵列以显著提升HER性能具有重要研究价值。据我们所知，目前尚未见关于cum位点修饰MOF纳米花阵列合成的研究报道。尽管部分催化剂（包括商用Pt/C和Pt/WO3 , 已被用作铝/海水电池的阴极材料[1,6]，但尚未见关于将MOF纳米结构应用于铝/海水电池的研究报道。
由于镍(Ni)与反应中间体之间更适宜的相互作用，Ni-1,3,5-苯三甲酸酯(Ni-BTC)金属有机框架材料可能成为具有前景的析氢反应(HER)催化剂。2+与Fe、Co和Mn相比，BTC的大π共轭区域、低空间位阻及高密度羧基显著促进了电子传输并增强稳定性，且Ni-BTC结构中丰富的cum位点和跨越金属中心的高效电荷转移通道显著提升了电子转移效率[13,[24], [25], [26]]。自组装作为一种简便、经济、可扩展且环境友好的方法，可用于制备多种纳米结构[8,27,28]。特别值得注意的是，小分子介导的自组装在MOFs制备中极具前景，因为特定选择的分子可同时充当结构导向剂、牺牲模板和调节剂等多重角色[[28], [29], [30]]。本研究首次成功制备了具有增强cum掺入的Ni-BTC纳米花阵列（NFA），其原位通过尿素介导的自组装策略在NF上生长，并直接用作铝/海水电池的阴极。研究了NF@Ni-BTC NFA自组装的潜在机制及其优异的HER性能。此外，采用NF@Ni-BTC NFA作为阴极组装了铝/氢2氧电池，并随后对其性能进行了研究。
