金属有机骨架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）由于其具有大比表面积、高孔隙率、优异的化学物理性质和热稳定性已成为构建新型纳米材料的热门前驱体。高温热解得到的MOF衍生碳基材料（Carbon-based materials，CMs）不仅继承了MOF前体的多孔特性，还具有活性组分的灵活功能集成等功能，在新型能源储存和转换等领域展现了蓬勃的发展前景。
北京化工大学化学学院潘军青教授围绕化工资源有效利用国家重点实验室特色资源能源高效利用，在学院“全球合作百强计划”指导下，联合新加坡南洋理工大学（2025年度全球大学QS排名No.15）周琨教授团队在材料类顶刊《Advanced Materials》上发表了题为“MOF-derived carbon-based materials for energy-related applications”的综述性论文（DOI: 10.1002/adma.202413658），博士研究生柴路路为第一作者。本综述回顾了课题组和其他课题组在MOF衍生碳材料制备和结构调控手段，从组成成分角度系统总结了不同类型MOF衍生CMs的合成策略与结构演变，有机阐述了成分设计和结构调控对电化学性能之间的内在关联和演变规律，较全面分析了MOF衍生CMs在最新电化学储能（超级电容器，锂离子电池、钠钾离子电池等）和电催化（ORR、OER、CO2RR等）领域中的新性能及不同材料在各种场景中的优势应用（图1），总结了该领域面临的挑战和现状，展望了未来研究方向与挑战。
图1. MOF衍生的不同类型的CMs的功能化应用概述
1. MOF衍生CMs设计中的合成策略
从MOF前驱体的成分设计控制考虑，如金属节点和有机配体的合理选择、配位方式选择以及碳化条件选择，可以有效地定制高效的多功能的碳材料，在与能源相关的领域中展现出重要的应用前景。从不同MOFs衍生的CMs主要分为四大类：无金属的纯碳材料、无金属的杂原子掺杂的CMs、金属掺杂的CMs（如金属纳米颗粒和单/双原子）以及金属化合物掺杂CMs（金属氧化物、金属磷化物、金属硫化物和LDH等）（图2）。
图2.由MOF衍生的的各种CMs的结构图。
3. 典型无金属碳基材料
MOF衍生的无金属CMs通常是将MOFs前驱体进行高温热解、原位蒸发或浸出金属物种等方法来获取。其中无金属CMs包括纯碳和杂原子掺杂碳材料。
图3. MOF衍生的纯碳材料的合成策略
对于纯碳材料的制备，大多都选择常见的羧酸配体H2BDC和H3BTC等配体与低沸点的金属盐（Zn：907 oC，Cd：767 oC等）配位形成低沸点的金属基MOFs，随后MOF在高的碳化温度（800-1200 oC）下直接碳化，其中有机骨架分解，金属物种被原位蒸发。另外，高沸点的金属基MOFs，例如Al、Mg、Fe、Co、Ni、Cu、In等在碳化过程中容易形成金属氧化物或金属颗粒，可以通过酸或碱刻蚀进一步去除来得到具有丰富孔隙结构的无金属CMs。此外，对获得的无金属CMs还可以通过化学活化手段与KOH和KNO3进行额外的氧化还原反应，生成更大比表面积的活性碳（AC），同时释放出一些气体（CO、H2、CO2和H2O等）（图3）。
对于杂原子掺杂碳材料的制备，主要通过原位热解掺杂和反应性杂原子源进行后处理掺杂的合成工艺来获得单一或多种杂原子的有效掺杂（图4）。
图4.各种MOF衍生的无金属杂原子掺杂CMs的合成策略
5. 金属掺杂碳基材料
通过高温热解，MOFs中的金属阳离子被还原形成金属纳米颗粒或单原子均匀地锚定在多孔碳基底上。相比于原位热解、空间约束、吸附还原、配位设计、两步热解等多种合成策略。金属纳米颗粒因较大的尺寸和丰富的表面活性位点，显著地提升了电化学反应中的电流密度，但在反应过程中易团聚导致较差的长期稳定性。传统的金属NPs/合金相比，金属单原子（SAs）或双原子（DAs）由于明确的电子结构和极高的原子利用率，可以减少金属资源的使用，有利于有效降低催化剂成本。目前已有原位热解、空间约束、吸附还原、配位设计、两步热解等多种合成策略被报道，从而为催化剂设计开辟了新的方向，促进了高效、低成本催化剂的发展（图5）。
图5. MOF衍生的单原子/双原子负载的CMs的合成策略
图6. MOF衍生的CMs在未来面临主要的挑战。
6.总结与展望
近五年来，本文较详细讨论了MOF衍生的CMs在能源相关的应用中结构功能优化设计和电化学性能之间的关系，对比分析了多种可控的合成策略来制备不同功能化的多孔CMs，结合结构与固有性能之间的关系，整理分析了新型CMs在能源相关领域中的具有优异的电化学性能和循环稳定性，推动了可持续新能源技术的发展和创新。未来的研究中仍需要探索和解决一些未探索的机遇和挑战，例如设计和开发新型MOF结构和其衍生的CMs，深入研究其在电池和电催化过程中的应用；其次，优化的制备策略、理清结构反应机理、发挥协同多功能性能和中试放大效应等挑战推动其进一步发展和在更多领域的实际应用（图6）。
论文信息：
Lulu Chai, Rui Li, Yanzhi Sun, Kun Zhou*, and Junqing Pan*, MOF-derived carbon-based materials for energy-related applications, Adv. Mater., 2025, DOI: 10.1002/adma.202413658
https://doi.org/10.1002/adma.202413658
