Met de snelle ontwikkeling van industriële technologie, de energiecrisis veroorzaakt door het tekort aan fossiele energie is een groeiend probleem. De hernieuwbare en groene energiebronsystemen zoals brandstofcel- en metaal-luchtbatterijen worden beschouwd als betrouwbare alternatieven voor fossiele brandstoffen. Zuurstofreductiereactie (ORR) en zuurstofontwikkelingsreactie (OER) zijn belangrijke halfreacties in deze toepassingen. De edelmetaalkatalysatoren worden veel gebruikt voor zowel ORR als OER. Echter, hun schaarste, hoge kosten, en slechte duurzaamheid vormen een grote belemmering voor grootschalige toepassing. Daarom, een rationeel ontwerp van bifunctionele niet-dure zuurstofelektrokatalysatoren is zeer gewenst.

Metaal-organische raamwerken (MOF's), een nieuwe materiaalklasse met bijzondere chemische en fysische eigenschappen heeft de afgelopen jaren enorm veel aandacht getrokken vanwege hun veelzijdige toepassingsmogelijkheden. Onlangs, het toepassen van MOF's in elektrochemische reacties is een opkomend onderzoeksveld omdat het grote oppervlak van MOF's de dichtheid van de actieve plaats kan maximaliseren, en de speciale chemische structuren van MOF's zorgen voor een op maat gemaakte micro-omgeving voor controleerbare reacties in de poriën. Echter, gebruik van MOF's direct in het veld van elektrokatalyse wordt zelden gerapporteerd vanwege hun lage ionentransport en ongunstige elektrische geleidbaarheid.

Het inkapselen van nanodeeltjes in holle mesoporeuze koolstofbolletjes (HMCS) is een klassiek ontwerp. Dit ontwerp is nuttig om katalytische actieve sites te stabiliseren, verhogen de elektrische geleidbaarheid en verminderen de lengte van het massatransport. De dooierschaalstructuurontwerpen zoals metalen nanodeeltjes@koolstof en metaaloxide@koolstof zijn veel gebruikt in lithiumbatterijen, katalyse, en op andere gebieden. Echter, het ontwerp van MOFs@HMCS dooierschaal gestructureerd hybride materiaal is nog niet gerapporteerd. Daarom, er wordt aangenomen dat de uitgebreide combinatie van MOF's met HMCS om een ​​gestructureerd hybride materiaal met dooierschaal te construeren, de bovengenoemde tekortkoming van MOF's-materialen op het gebied van elektrokatalyse effectief zal overwinnen.

Als antwoord op deze uitdaging, onlangs, het onderzoeksteam onder leiding van prof. Cao Rong van het Fujian Institute of Research on the Structure of Matter van de Chinese Academie van Wetenschappen ontwierp een dooierschaal gestructureerd ZIF-67@HMCS hybride materiaal door ZIF-67 als kern en holle mesoporeuze koolstofbollen te gebruiken (HMCS) als schelpen. De deeltjesgrootte van ZIF-67 wordt goed gecontroleerd door gebruik te maken van het ruimtelijke opsluitingseffect van HMCS, wat de diffusiepaden verkort en het ionentransport verbetert. Het inkapselen van ZIF-67 in HMCS verhoogt ook de geleidbaarheid aanzienlijk. Bovendien, de typische hiërarchische poriestructuren van HMCS garanderen de diffusie van reactieve soorten naar de blootgestelde actieve plaatsen van ZIF-67 snel en efficiënt, en zo de elektrochemische activiteit te verbeteren. Het hybride materiaal ZIF-67@HMCS vertoont superieure bifunctionele elektrokatalytische activiteit ten opzichte van zowel ORR als OER. Bovendien, de geassembleerde Zn-luchtbatterij van ZIF-67@HMCS als luchtkathode biedt ook indrukwekkende prestaties en stabiliteit op lange termijn.

Dit bifunctionele hybride materiaal met dooierschaalstructuur zou een veelbelovende kandidaat kunnen zijn als elektrokatalysator in brandstofcellen en elektrolysers voor toepassingen op het gebied van hernieuwbare energie. Dit werk effent ook een nieuwe weg naar het ontwerpen van stabiele MOF's die direct worden gebruikt als hoogrenderende elektrochemische katalysatoren in veelbelovende energieopslagapparaten om te voldoen aan de groeiende vraag naar stabiele energievoorziening.