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本研究通过一步调节法合成具有可调长度的MOF-545前驱体，经碳化得到保留mesoporous结构的MNC-x材料。电化学测试表明，尺寸最小的MNC-250 nm在碱性/酸性电解质中半波电位分别达0.861 V和0.713 V，归因于其更大的比表面积、更低的电荷转移电阻及更易到达的C1活性位点，首次从第一性原理揭示了尺寸效应与ORR催化活性关系，为高性能催化剂设计提供新策略。
张红娟|张紫宁|穆罕默德·费萨尔·伊克巴尔|张伟|穆罕默德·伊克巴尔|唐静
陕西渭南师范学院化学与材料科学学院，中国渭南714099
摘要
将可调且均匀的纳米尺寸以及有序的介孔结构整合到MOF衍生的碳材料中仍然是一个挑战，而形态控制的不精确性也阻碍了人们对微观结构与催化活性之间关系的理解，从而限制了高性能MOF衍生电催化剂的合理设计。在这项工作中，我们开发了一种一步法调控方法来合成有序的介孔棒状MOF-545-x前驱体，其长度可以从微米调节到纳米。经过直接碳化处理后，MNC-x仍保持了棒状结构和介孔特性。由于长度是MNC-x系列中最关键的参数，这些材料成为了研究颗粒大小与电催化活性位点利用效率之间关系的理想模型。电化学测试表明，长度最短的MNC-250纳米在碱性电解质中的半波电位为0.861伏，在酸性电解质中为0.713伏，表现出优异的氧还原（ORR）活性。这种优越性归因于其较大的电化学表面积、较低的电荷传输阻力以及更易接近的活性位点。此外，第一性原理计算进一步阐明了以C1活性位点为中心的潜在ORR催化机制。本研究为调控有序介孔MOF前驱体及其衍生碳基催化剂的颗粒大小提供了一种直接策略，为开发高性能催化剂提供了宝贵的见解。
章节摘录
引言
来自金属有机框架（MOF）的碳材料已成为质子交换膜燃料电池和金属-空气/O?电池中氧还原反应（ORR）的有前景的电催化剂[1]、[2]。它们的优势在于高孔隙率、可调节的化学组成以及从原始MOF前驱体继承的结构特征[3]。这些特性使得它们能够实现高效的质量传输路径并拥有丰富的活性位点，从而具有替代传统催化剂的巨大潜力。
合成与形态表征
通过调控剂导向的方法合成了具有可调长度和截面积的有序介孔MOF-545（见图1a）。简而言之，调控剂作为添加剂引入以调控MOF晶体的生长：通过调整合成过程中的调控剂浓度，可以系统地控制MOF晶体的大小和体相晶体中的缺陷数量。如图1b-i所示，MOF-545样品的长度分别为约250纳米、约2.5微米、约3.5微米和约4.0微米，相应的截面积也有所变化。
结论
在这项工作中，我们通过原位调控辅助方法成功制备了尺寸可调的MNC-x，随后经过热解处理。所得到的MNC-x保持了介孔结构，并且尺寸范围从微米延伸到纳米。电化学测试表明，MNC-x的ORR性能随着长度的减小而表现出显著的变化。尺寸较小的MNC-250纳米表现出更优异的ORR活性，其反应途径为四电子反应，具有优异的电化学性能。
CRediT作者贡献声明
穆罕默德·费萨尔·伊克巴尔：数据可视化、验证。
张紫宁：方法论设计、实验研究。
穆罕默德·伊克巴尔：数据可视化。
张伟：数据可视化。
张红娟：数据分析、概念化设计、审稿与编辑工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了陕西省委组织部管理的2025年陕西省“共享校园招聘（小招共用）”人才引进与利用项目的支持。同时，该研究也得到了上海自然科学基金（项目编号：24ZR1419100）的资助。
