Avec le développement rapide de la technologie industrielle, la crise énergétique causée par la pénurie d'énergie fossile est un problème croissant. Les systèmes de sources d'énergie renouvelables et vertes telles que les piles à combustible et les batteries métal-air sont considérés comme des alternatives fiables aux combustibles fossiles. La réaction de réduction d'oxygène (ORR) et la réaction de dégagement d'oxygène (OER) sont des semi-réactions importantes dans ces applications. Les catalyseurs de métaux nobles sont largement utilisés pour l'ORR et l'OER. Cependant, leur rareté, coût élevé, et une mauvaise durabilité entravent fortement l'application à grande échelle. Par conséquent, une conception rationnelle d'électrocatalyseurs d'oxygène bifonctionnels non coûteux est hautement souhaitée.

Charpentes organométalliques (MOF), une nouvelle classe de matériaux aux propriétés chimiques et physiques particulières a attiré une attention considérable ces dernières années pour leurs applications potentielles polyvalentes. Récemment, l'application de MOF dans des réactions électrochimiques est un domaine de recherche émergent car la surface élevée des MOF peut maximiser la densité de sites actifs, et les structures chimiques spéciales des MOF fournissent un microenvironnement sur mesure pour une réaction contrôlable dans les pores. Cependant, l'utilisation de MOF directement dans le domaine de l'électrocatalyse est rarement rapportée en raison de leur faible transport ionique et de leur conductivité électrique défavorable.

L'encapsulation de nanoparticules dans une sphère creuse de carbone mésoporeux (HMCS) est une conception classique. Cette conception est utile pour stabiliser les sites actifs catalytiques, augmenter la conductivité électrique et réduire les longueurs de transport de masse. Les conceptions de structure jaune-coquille telles que les nanoparticules métalliques au carbone et l'oxyde métallique au carbone ont été largement utilisées dans les batteries au lithium, catalyse, et dans d'autres domaines. Cependant, la conception du matériau hybride structuré MOFs@HMCS à coquille jaune n'a pas encore été rapportée. Par conséquent, on pense que la combinaison élaborée de MOF avec le HMCS pour construire un matériau hybride à structure jaune-coquille surmontera efficacement le défaut susmentionné des matériaux MOF dans le domaine de l'électrocatalyse.

En réponse à ce défi, récemment, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Cao Rong de l'Institut de recherche Fujian sur la structure de la matière de l'Académie chinoise des sciences a conçu un matériau hybride ZIF-67@HMCS à structure jaune-coquille en utilisant le ZIF-67 comme noyau et des sphères de carbone mésoporeuses creuses (NCSM) comme obus. La taille des particules de ZIF-67 est bien contrôlée en utilisant l'effet de confinement spatial du HMCS, ce qui raccourcit les chemins de diffusion et améliore le transport des ions. L'encapsulation du ZIF-67 dans le HMCS augmente également sa conductivité de manière importante. De plus, les structures de pores hiérarchiques typiques du HMCS garantissent la diffusion rapide et efficace des espèces réactives vers les sites actifs exposés de ZIF-67, et ainsi améliorer l'activité électrochimique. Le matériau hybride ZIF-67@HMCS présente une activité électrocatalytique bifonctionnelle supérieure envers l'ORR et l'OER. Quoi de plus, la batterie Zn-air assemblée par ZIF-67@HMCS en tant que cathode à air présente également des performances impressionnantes et une stabilité à long terme.

Ce matériau hybride bifonctionnel à structure jaune-coquille pourrait être un candidat prometteur en tant qu'électrocatalyseur dans les piles à combustible et les électrolyseurs pour les applications d'énergie renouvelable. Ce travail ouvre également une nouvelle voie vers la conception de MOF stables utilisés directement comme catalyseurs électrochimiques à haut rendement dans des dispositifs de stockage d'énergie prometteurs pour répondre à la demande croissante d'un approvisionnement énergétique stable.