综述：面向绿色能源：金属有机框架及其衍生催化剂在水分解析氢反应中制氢的研究进展

本综述系统评述了金属有机框架（MOFs）及其衍生材料在电催化析氢反应（HER）中的最新进展。文章重点探讨了MOFs通过高比表面积、可调孔隙和活性位点等特性提升HER性能的机制，深入分析了氢吸附自由能（ΔGHads）和电子结构调控的关键作用，并对催化剂的酸性/碱性稳定性、规模化挑战及未来发展方向提出了前瞻性观点。

　　

引言

化石燃料的快速消耗引发全球能源危机，亟需开发清洁可持续的能源解决方案。氢能因其零碳排放特性成为理想替代能源，其中通过电催化水分解产生氢气的析氢反应（HER）备受关注。该过程需克服反应动力学缓慢、过电位高等挑战，而金属有机框架（MOFs）材料凭借其高比表面积（可达1000–10000 m²/g）、可调控孔隙结构和金属活性中心等优势，为设计高效HER催化剂提供了新思路。

MOF及衍生材料的合成策略

MOFs可通过水热法、溶剂热法等多种方法合成，其结构灵活性允许通过掺杂异质元素（如氮、硫、磷）或构建复合材料（如金属纳米颗粒、碳纳米管复合体系）优化电子结构与催化活性。热解处理可进一步生成金属掺杂碳材料，显著提升导电性和稳定性，为HER应用奠定基础。

MOF基电催化剂的HER性能

研究表明，MOFs中的金属-配体相互作用可直接调控d带中心与氢吸附自由能（ΔGH_ads），进而影响HER反应路径（Volmer步骤、Heyrovsky/Tafel步骤）。例如CTGU-5、Mn_0.52Fe_0.71Ni-MOF-74等材料在酸性或碱性条件下均表现出接近贵金属催化剂的活性。通过构建多组分异质结构（如MOF/碳基复合材料），可协同提升活性位点密度与电荷传输效率。

水分解反应机制

HER过程涉及质子吸附、还原及氢气脱附等关键步骤（图8a）。MOFs中不饱和金属位点或功能化链接剂可作为质子吸附中心，其ΔGH_ads值越接近零，越有利于优化反应能垒。电子结构的精准调控（如异原子掺杂）能有效降低能垒，加速反应动力学。

结论与展望

MOF基催化剂在HER领域展现出巨大潜力，但仍面临规模化制备、酸碱环境稳定性及成本控制等挑战。未来研究需聚焦于精准调控材料电子结构、开发新型复合体系，并推动实验室成果向工业应用转化，为绿色氢能经济提供技术支撑。