ZIF-67衍生的CoNi2SxOy空心纳米笼用于高效甲醇氧化反应：结构设计与性能突破

本研究针对直接甲醇燃料电池（DMFCs）中铂基催化剂成本高、储量少的问题，通过ZIF-67模板法设计出具有空心纳米笼结构的CoNi2SxOy电催化剂。该材料在碱性介质中表现出优异的甲醇氧化反应（MOR）活性（电流密度达9.29 mA cm?2），其多孔结构和金属-硫电子协同效应显著提升电荷转移效率，为开发非贵金属能源转换材料提供新思路。

　　

化石能源枯竭与环境污染的双重压力下，直接甲醇燃料电池（DMFCs）因其高能量密度和低排放特性被视为理想替代方案。然而，其商业化进程长期受制于阳极甲醇氧化反应（MOR）催化剂的瓶颈——传统铂基材料虽活性优异，但高昂成本和地球稀缺性成为致命短板。更棘手的是，MOR涉及6电子转移的复杂过程，动力学缓慢，亟需开发兼具高活性、稳定性和成本效益的非贵金属催化剂。

针对这一挑战，伊朗国家科学基金会（INSF）支持的研究团队创新性地从金属有机框架材料ZIF-67出发，通过结构工程与组分调控，成功制备出具有空心纳米笼结构的CoNi₂S_xO_y电催化剂。这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，通过三步策略实现突破：首先以ZIF-67为自牺牲模板构建CoNi层状双氢氧化物（CoNi-LDH）空心前驱体；随后在氮气氛围中硫化获得保留空心结构的CoNi₂S_xO_y；最终通过碳布电极（CCE）负载形成工作电极。关键技术包括模板蚀刻法、可控硫化工艺及电化学性能表征（CV、EIS、计时电流法）。

研究结果

1. 材料设计与合成：ZIF-67在镍离子作用下发生选择性蚀刻，转化为CoNi-LDH空心纳米笼，硫化后仍维持三维多孔骨架。这种"内外兼修"的结构既暴露大量活性位点，又促进电解质渗透。
2. 电子结构优化：XPS分析证实Co/Ni与S^2?的强电子相互作用，显著降低电荷转移电阻（EIS显示R_ct仅为3.2 Ω），加速氧化还原动力学。
3. MOR性能突破：在1 M KOH+0.5 M CH₃OH体系中，电流密度达9.29 mA cm^?2，优于多数报道的非贵金属催化剂。空心结构赋予的缓冲空间有效缓解体积膨胀，使500次循环后活性保持率达91%。

结论与意义
该工作通过"结构-组分"双调控策略，证实过渡金属硫氧化物在能源转换领域的巨大潜力。空心纳米笼结构解决传统LDH材料导电性差、活性位点少的核心痛点，而硫引入带来的电子重分布效应进一步优化反应路径。特别值得注意的是，材料中残留的氧组分（CoNi₂S_xO_y）可能形成金属-O-S异质界面，协同促进甲醇分子吸附/活化。这项研究不仅为DMFCs阳极催化剂设计提供新范式，其模板转化策略也可拓展至其他能源材料体系，如金属空气电池或水分解催化剂。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加外部信息；作者Hamideh Imanzadeh等声明无利益冲突；致谢部分提及伊朗国家科学基金会项目4027235资助）