Con il rapido sviluppo della tecnologia industriale, la crisi energetica causata dalla carenza di energia fossile è stato un problema crescente. I sistemi di fonti di energia rinnovabile e verde come le celle a combustibile e le batterie metallo-aria sono considerate alternative affidabili ai combustibili fossili. La reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) sono importanti semireazioni in queste applicazioni. I catalizzatori di metalli nobili sono ampiamente utilizzati sia per ORR che per OER. Però, la loro scarsità, costo alto, e la scarsa durata impediscono fortemente l'applicazione su larga scala. Perciò, una progettazione razionale di elettrocatalizzatori di ossigeno bifunzionali non costosi è altamente auspicabile.

Strutture metallo-organiche (MOF), una nuova classe di materiali con proprietà chimiche e fisiche speciali ha attirato un'enorme attenzione negli ultimi anni per le sue versatili potenziali applicazioni. Recentemente, l'applicazione di MOF nelle reazioni elettrochimiche è stato un campo di ricerca emergente perché l'elevata area superficiale dei MOF può massimizzare la densità del sito attivo, e le speciali strutture chimiche dei MOF forniscono un microambiente su misura per una reazione controllabile all'interno dei pori. Però, l'uso di MOF direttamente nel campo dell'elettrocatalisi è raramente segnalato a causa del loro basso trasporto ionico e della conduttività elettrica sfavorevole.

L'incapsulamento di nanoparticelle in una sfera di carbonio mesoporosa cava (HMCS) è un progetto classico. Questo disegno è utile per stabilizzare i siti attivi catalitici, aumentare la conduttività elettrica e ridurre le lunghezze di trasporto di massa. I design della struttura a guscio d'uovo come le nanoparticelle metalliche@carbonio e l'ossido di metallo@carbonio sono stati ampiamente utilizzati nelle batterie al litio, catalisi, e in altri campi. Però, il progetto di MOFs@HMCS materiale ibrido strutturato tuorlo d'uovo non è stato ancora segnalato. Perciò, si ritiene che l'elaborata combinazione di MOF con HMCS per costruire un materiale ibrido strutturato tuorlo d'uovo supererà efficacemente la suddetta carenza dei materiali MOF nel campo dell'elettrocatalisi.

In risposta a questa sfida, recentemente, il team di ricerca guidato dal Prof. Cao Rong del Fujian Institute of Research on the Structure of Matter dell'Accademia cinese delle scienze ha progettato un materiale ibrido ZIF-67@HMCS strutturato a tuorlo d'uovo utilizzando ZIF-67 come nucleo e sfere cave di carbonio mesoporoso (HMCS) come shell. La dimensione delle particelle di ZIF-67 è ben controllata utilizzando l'effetto di confinamento spaziale di HMCS, che accorcia i percorsi di diffusione e migliora il trasporto di ioni. L'incapsulamento di ZIF-67 in HMCS aumenta anche la sua conduttività in modo evidente. Inoltre, le tipiche strutture gerarchiche dei pori di HMCS garantiscono la diffusione delle specie reattive ai siti attivi esposti di ZIF-67 in modo rapido ed efficiente, e quindi migliorare l'attività elettrochimica. Il materiale ibrido ZIF-67@HMCS mostra un'attività elettrocatalitica bifunzionale superiore sia verso l'ORR che verso l'OER. Cosa c'è di più, la batteria Zn-air assemblata di ZIF-67@HMCS come catodo ad aria presenta anche prestazioni impressionanti e stabilità a lungo termine.

Questo materiale ibrido strutturato a guscio d'uovo bifunzionale potrebbe essere un candidato promettente come elettrocatalizzatore in celle a combustibile ed elettrolizzatori per applicazioni di energia rinnovabile. Questo lavoro apre anche una nuova strada verso la progettazione di MOF stabili utilizzati direttamente come catalizzatori elettrochimici ad alta efficienza in promettenti dispositivi di accumulo di energia per soddisfare la crescente domanda di fornitura di energia stabile.