MOFs及其衍生材料在能源与环境领域的应用

金属有机框架材料因具有超高的比表面积、可控的孔结构以及具有氧化还原活性的金属离子，而成为一种理想的电极材料前驱体和催化材料前驱体，在能源与环境领域展现出诱人的应用前景。本书系统地介绍了MOFs材料及其衍生物的历史、基本概念、合成方法，以及它们在能源气体存储与分离、光催化水分解和CO2还原、电催化、超级电容器、电池、大气污染控制、水处理和海水资源提取等领域的应用，并归纳总结了相应的材料设计和组装策略。

目录
第1章 金属有机框架材料 1
1.1 MOFs材料发展历史 1
1.2 MOFs的结构特点 6
1.3 MOFs的设计与合成 7
1.3.1 结构设计的影响因素 7
1.3.2 常见的金属节点 15
1.4 MOFs的合成方法 23
1.4.1 水热/溶剂热法 23
1.4.2 扩散法 23
1.4.3 微波辅助法 23
1.4.4 超声法 24
1.4.5 机械搅拌法 24
1.4.6 电化学合成法 25
1.5 几种常见MOFs的合成方法及影响因素 25
1.5.1 MOF-5 25
1.5.2 MOF-177 27
1.5.3 MOF-74 29
1.5.4 HKUST-1 31
1.5.5 UiO-66 32
1.5.6 MOF-808 34
1.5.7 MIL-53 35
1.5.8 MIL-88 37
1.5.9 MIL-100 39
1.5.10 MIL-101 40
1.5.11 ZIFs系列(ZIF-8和ZIF-67) 42
1.6 MOFs在不同领域的应用 48
1.6.1 MOFs在传感器中的应用 48
1.6.2 MOFs在催化中的应用 51
1.6.3 MOFs在压电/铁电中的应用 53
1.6.4 MOFs在药物传输和靶向治疗领域的应用 55
参考文献 58
第2章 MOFs材料在能源气体存储与分离中的应用 73
2.1 引言 73
2.2 MOFs材料在能源气体存储中的应用 75
2.2.1 储氢 75
2.2.2 储甲烷 82
2.3 MOFs材料在能源气体分离中的应用 87
2.3.1 MOFs材料对轻烃气体的分离机理 87
2.3.2 C2s碳氢化合物/甲烷的吸附分离 88
2.3.3 乙炔/乙烯的吸附分离 91
2.3.4 烯烃/烷烃的吸附分离 92
2.4 COFs和HOFs材料在能源气体存储与分离中的应用概述 96
参考文献 98
第3章 MOFs及其衍生物在光催化水分解和CO2还原方面的应用 104
3.1 MOFs及其衍生物在光催化水分解方面的应用 104
3.1.1 光催化水分解的基本原理 104
3.1.2 MOFs材料光催化水分解的基本原理 106
3.1.3 MOFs材料的改性策略 106
3.2 MOFs及其衍生物在光催化CO2还原方面的应用 122
3.2.1 引言 122
3.2.2 光催化CO2还原机理 123
3.2.3 MOFs材料应用于光催化CO2还原 124
3.2.4 MOFs衍生物应用于光催化CO2还原 136
3.2.5 小结 142
参考文献 142
第4章 MOFs及其衍生物在电催化方面的应用 151
4.1 电催化技术的介绍 151
4.1.1 电解水技术的发展历程 151
4.1.2 电解水基本原理 151
4.1.3 氧还原反应机理 154
4.1.4 二氧化碳还原反应机理 155
4.1.5 氮还原反应机理 157
4.1.6 催化剂的设计原则 158
4.1.7 评估电催化活性的评价指标 159
4.2 MOFs及其衍生物作电催化剂的简介 162
4.2.1 原始MOFs材料作电催化剂的发展 162
4.2.2 MOFs衍生物作电催化剂的优势 163
4.3 MOFs衍生物在HER方面的研究进展 164
4.3.1 MOFs衍生的磷化物用于HER 164
4.3.2 MOFs衍生的碳(氮)化物用于HER 165
4.3.3 MOFs衍生的贵金属/过渡金属材料用于HER 167
4.4 MOFs衍生物在OER方面的应用 168
4.4.1 MOFs衍生的氧(氢氧)化物用于OER 168
4.4.2 MOFs衍生的磷化物用于OER 171
4.5 MOFs衍生物在ORR方面的应用 172
4.6 MOFs及其衍生物在多功能催化剂方面的应用 175
4.6.1 MOFs及其衍生物用于HER/OER 175
4.6.2 MOFs及其衍生物用于OER/ORR 176
4.6.3 MOFs及其衍生物用于ORR/OER/ORR 178
4.7 MOFs及其衍生物在二氧化碳还原方面的应用 178
4.7.1 MOFs材料用于CO2RR 179
4.7.2 MOFs衍生碳材料用于CO2RR 197
4.7.3 MOFs衍生单原子材料用于CO2RR 200
4.7.4 MOFs衍生金属/金属化合物用于CO2RR 213
4.8 MOFs及其衍生物在氮还原方面的应用 222
4.8.1 MOFs材料用于NRR 223
4.8.2 MOFs复合材料用于NRR 225
4.8.3 MOFs衍生碳材料用于NRR 227
4.8.4 MOFs衍生单原子材料用于NRR制氨 228
4.8.5 MOFs衍生金属/金属化合物用于NRR 231
4.9 MOFs及其衍生物用于其他电催化反应 236
4.9.1 MOFs及其衍生物用于硝酸还原制氨 236
4.9.2 MOFs用于电合成尿素 240
4.9.3 MOFs衍生物用于氢氧化反应 241
4.9.4 MOFs衍生物用于有机物氧化反应 243
4.10 总结 248
参考文献 250
第5章 MOFs材料在超级电容器领域的应用 262
5.1 引言 262
5.2 MOFs及其复合材料用于超级电容器电极 264
5.3 MOFs衍生碳材料用于超级电容器电极 268
5.4 MOFs衍生过渡金属基纳米材料用于超级电容器电极 273
5.4.1 过渡金属(氢)氧化物 273
5.4.2 过渡金属硫化物 277
5.4.3 过渡金属磷化物 280
5.4.4 过渡金属氧酸盐化合物 283
5.4.5 过渡金属氮化物和硼化物 286
参考文献 288
第6章 MOFs材料在电池中的应用 292
6.1 金属离子电池 292
6.1.1 锂离子电池 292
6.1.2 钠离子电池 303
6.1.3 其他离子电池 309
6.2 金属-空气电池 320
6.2.1 锂-氧气电池 320
6.2.2 锌-空气电池 331
6.2.3 MOFs衍生材料在钠/镁/铝-空气电池中的应用 345
6.3 锂-硫电池 349
6.3.1 锂-硫电池简介 349
6.3.2 锂-硫电池组成 350
6.3.3 锂-硫电池小结 357
6.4 固态电解质 357
6.4.1 原始MOFs基固态电解质 358
6.4.2 MOFs基聚合物固态电解质 361
6.4.3 离子液体@MOFs基固态电解质 363
6.4.4 固态电解质小结 365
6.5 锂负极保护 365
6.5.1 集流体涂层改性 366
6.5.2 构建三维锂负极 367
6.5.3 锂负极保护小结 370
参考文献 370
第7章 MOFs材料在大气污染控制中的应用 383
7.1 引言 383
7.2 MOFs材料用于含硫气体的脱除 384
7.2.1 H2S 385
7.2.2 SO2 388
7.3 MOFs材料用于含氮气体的脱除 390
7.3.1 NOx 391
7.3.2 NH3 398
7.4 MOFs材料用于挥发性有机物气体的脱除 399
7.4.1 VOCs的吸附 399
7.4.2 VOCs的催化燃烧 401
7.5 MOFs材料用于其他污染气体的脱除 403
7.5.1 CO 403
7.5.2 Hg0 406
7.6 展望 408
参考文献 409
第8章 MOFs及其衍生物在水处理中的应用 416
8.1 引言 416
8.2 适用于水处理的MOFs材料 419
8.3 MOFs及其衍生材料在水处理中的应用 420
8.3.1 吸附技术 420
8.3.2 高级氧化技术 425
8.3.3 膜处理技术 431
8.4 MOFs及其衍生材料在水处理应用中的毒性与缓解 437
8.5 MOFs材料应用于水处理的挑战和前景 438
参考文献 439
第9章 MOFs及其衍生物在海水资源提取中的应用 445
9.1 引言 445
9.2 MOFs在海水提铀中的应用 446
9.2.1 ZIFs系列 447
9.2.2 MILs系列 453
9.2.3 UiOs系列 457
9.3 MOFs在海水提锂中的应用 465
9.3.1 多晶MOFs膜 466
9.3.2 MOFs混合基质膜 468
9.3.3 MOFs通道膜 469
9.4 展望 471
参考文献 472