2. 阐述了对于材料设计策略与其结构-性能关系的见解。

3. 提出了MOFs衍生的氧电催化剂在锌-空气电池方面面临的挑战和未来发展前景。

图1. (a, b) MOF衍生富氮碳晶体(BHPC-950)的透射电镜图像和锌-空气电池比电容图；(c) 通过原位生长和煅烧策略制备掺氮空心碳球的原理图；(d, e) BNPC-1100的扫描电镜图像和使用BNPC-1100作为空气阴极的可充电锌-空气电池的循环性能图。

MOFs自身的结构特点为合成单原子催化剂提供了巨大的优势。Li等人以ZnS/ZIF-67复合物作为热处理模板，碳化处理后的ZnS自牺牲形成纳米棒结构，并同时为Co₉S₈纳米颗粒的形成提供硫源(图2a)。得到的CoSA+Co₉S₈/HCNT具有良好的氧电催化活性，其电位差(Ej=10与E1/2之差)为0.705 V，远小于Pt/C+RuO₂的电位差(0.777 V)。用CoSA+Co₉S₈/HCNT组装的液态锌-空气电池的峰值功率密度达到177.33 mW cm⁻2，远好于Pt/C+RuO₂(图2b)。在1 mA cm⁻2下，基于CoSA+Co₉S₈/HCNT催化剂的柔性锌-空气电池在长循环后仍保持稳定的充/放电电位，并具有优异的稳定性(图2c)。Wang等人报道了由MOF@聚合物复合材料构建的N、P、S共掺杂空心碳多面体(Fe-SAS/NPS-HC)上由单个铁原子组成的空心结构。他们强调，聚合物基涂层通过Kirkendall效应调制了活性金属中心的电子，而N的配位以及S和P的远程调制促进了空心结构的构建(图2d)。为了进一步增强锌-空气电池中Fe-N活性中心的氧电化学反应，Sun的团队使用ZIF-8在其的生长过程中原位将Fe2⁺与Fe-Phen结合到纳米笼中合成了单原子Fe-NX-C电催化剂(图2e)。由于Fe-Phen物种同时提供Fe2⁺和有机配体(Phen)，Fe-Phen@ZIF-8前驱体在单原子催化剂的制备中起着重要的作用。此外，Hou等人通过二氧化硅介导的MOF模板方法修饰了单原子铁位点用于ORR催化(图2f)，所制备的氧催化剂在锌-空气电池中表现出良好的性能，最大容量为807.5 mAh g⁻1，峰值功率密度为186.8 mW cm⁻2，能量密度达到962.7 Wh kg⁻1，与贵金属Pt/C催化剂性能相当(图2g, h)。

图2. (a-c) 基于CoSA+Co₉S₈/HCNT的锌-空气电池的透射电镜图像、功率密度曲线和放电-充电循环曲线(固态)；(d) 氮、磷、硫共掺杂空心碳多面体负载铁单原子位点的制备(Fe-SAs/NPS-HC)；(e) Fe-Nₓ-C催化剂合成示意图；(f-h) Fe/OES的SEM图像、功率密度图和比容量图。

Lai等人提出采用简单有效的铜配位MOF策略，在无模板或表面活性剂的惰性气氛中直接热解掺铜的ZIF-8多面体，制备了新型铜-氮-碳电催化剂(Cu-N/C)(图3a)。如图3b所示，25%Cu-N/C催化剂比30wt%Pt/C催化剂具有更高的稳定性。通过添加锌阳极和电解液，构建的锌-空气电池可以长时间工作。经过三次的机械充电(图3c)，输出电压非常稳定，没有明显的下降，这表明MOF衍生的Cu-N/C在替代锌-空气电池和其他相关能量转换器件中的贵金属材料方面具有巨大的优势。Chen等人提出了一种双功能MOF (FeNiCo@NC-P，图3d)制备多金属基多孔碳纳米棒复合材料的新策略。与单一的MOF衍生碳材料相比，在制备的催化剂中添加了N源和Fe、Co、Ni等多种金属。此外，该催化剂在锌-空气电池中的实际应用表明，它在10 mA cm⁻2(图3e)下具有低电压间隙和130 h以上的长期稳定性，为设计和制备催化性能可调的MOF衍生金属团簇/碳复合材料开辟了新的途径。Hou等人通过将客体铁离子引入核壳结构的Zn@Co-MOFs前驱体中，然后进行原位热解得到开放的碳笼自组装成一个绣球状的三维超结构，由FeCo合金纳米颗粒修饰的碳纳米管连接(图3f)。当然，其优异的电催化性能与其独特的超结构、可实现快速电子传递和有效传质的导电通道、多孔通道以及丰富的Co/Fe催化中心之间协同效应有关。作为锌-空气电池中的空气电极催化剂，达到了190.3 mW cm⁻2的高峰值功率密度，787.9 mAh g⁻1的超高容量和1012 Wh kg⁻1的能量密度(图3g, h)。

图3. (a-c) Cu-N/C催化剂的合成工艺、ORR电流-时间响应和锌-空气电池性能；(d) FeNiCo@NC-P催化剂的TEM图像；(e) FeNiCo@NC-P应用在锌-空气电池的循环稳定性；(f-h) 形成刺绣球形结构的开放式碳笼的合成示意图、功率密度图和锌-空气电池比容量。

IV MOF衍生金属化合物/碳复合材料

图4. (a, b) 柔性碳布上垂直NC-Co₃O₄阵列的制备工艺和电压-容量曲线(固态锌-空气电池)；(c, d) Co₉S₈@TDC-900催化剂的扫描电镜图像和长期充放电循环图；(e, f) Mo-N/C@MoS₂催化剂的合成示意图及V-I极化和功率密度曲线；(g) FeNiP/NCH催化剂制备工艺流程图。

V 总结与展望

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419，在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9，材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。