Com o rápido desenvolvimento da tecnologia industrial, a crise energética causada pela escassez de energia fóssil tem sido um problema crescente. Os sistemas de fontes de energia renováveis ​​e verdes, como células de combustível e baterias de metal-ar, são considerados alternativas confiáveis ​​aos combustíveis fósseis. A reação de redução de oxigênio (ORR) e a reação de evolução de oxigênio (OER) são semi-reações importantes nessas aplicações. Os catalisadores de metal nobre são amplamente usados ​​para ORR e REA. Contudo, sua escassez, alto custo, e a baixa durabilidade impedem fortemente a aplicação em grande escala. Portanto, um projeto racional de eletrocatalisadores de oxigênio bifuncionais baratos é altamente desejado.

Estruturas metal-orgânicas (MOFs), uma nova classe de material com propriedades químicas e físicas especiais tem atraído muita atenção nos últimos anos por suas aplicações potenciais versáteis. Recentemente, a aplicação de MOFs em reações eletroquímicas tem sido um campo de pesquisa emergente porque a alta área de superfície dos MOFs pode maximizar a densidade do local ativo, e as estruturas químicas especiais dos MOFs fornecem um microambiente personalizado para reação controlável dentro dos poros. Contudo, o uso de MOFs diretamente no campo de eletrocatálise raramente é relatado devido ao seu baixo transporte de íons e condutividade elétrica desfavorável.

O encapsulamento de nanopartículas em uma esfera de carbono mesoporosa oca (HMCS) é um projeto clássico. Este projeto é útil para estabilizar sítios ativos catalíticos, aumentar a condutividade elétrica e reduzir os comprimentos de transporte de massa. Os projetos de estrutura de casca de gema, como nanopartículas metálicas @ carbono e óxido metálico @ carbono, têm sido amplamente utilizados em baterias de lítio, catálise, e em outros campos. Contudo, o projeto do material híbrido estruturado com casca de gema MOFs @ HMCS ainda não foi relatado. Portanto, acredita-se que a combinação elaborada de MOFs com HMCS para construir um material híbrido estruturado com casca de gema irá efetivamente superar a deficiência acima mencionada de materiais MOFs no campo da eletrocatálise.

Em resposta a este desafio, recentemente, a equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Cao Rong do Instituto Fujian de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria da Academia Chinesa de Ciências projetou um material híbrido ZIF-67 @ HMCS estruturado em casca de gema usando ZIF-67 como núcleo e esferas de carbono mesoporosas ocas (HMCS) como shells. O tamanho de partícula do ZIF-67 é bem controlado, utilizando o efeito de confinamento espacial do HMCS, que encurta os caminhos de difusão e aumenta o transporte de íons. O encapsulamento de ZIF-67 em HMCS também aumenta sua condutividade de forma proeminente. Além disso, as estruturas de poros hierárquicas típicas de HMCS garantem a difusão de espécies reativas para os locais ativos expostos de ZIF-67 de forma rápida e eficiente, e assim melhorar a atividade eletroquímica. O material híbrido ZIF-67 @ HMCS exibe atividade eletrocatalítica bifuncional superior para ORR e OER. O que mais, a bateria Zn-air montada por ZIF-67 @ HMCS como catodo de ar também apresenta desempenho impressionante e estabilidade de longo prazo.

Este material híbrido bifuncional de casca de gema pode ser um candidato promissor como eletrocatalisador em células de combustível e eletrolisadores para aplicações de energia renovável. Este trabalho também abre uma nova maneira de projetar MOFs estáveis ​​usados ​​diretamente como catalisadores eletroquímicos de alta eficiência em dispositivos de armazenamento de energia promissores para atender à crescente demanda de fornecimento de energia estável.