寧波材料所在二維石墨烯限域MOFs催化水裂解析氧方面取得重要進展
開發(fā)高效電催化劑進行水的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，以生產(chǎn)環(huán)保、可持續(xù)的氫能源，是近幾十年來科研人員廣泛研究的熱點問題。陽極處的析氧反應(yīng)（OER）在水裂解中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，OER反應(yīng)需要相對較大的熱力學(xué)電位（超過1.23V vs. RHE）以克服因四個“電子-質(zhì)子”轉(zhuǎn)移過程而導(dǎo)致的緩慢動力學(xué)。近年來，金屬有機骨架（MOFs）因其大比表面積、孔隙可調(diào)及多樣的成分和金屬中心而成為高效OER電催化劑的理想材料，但MOFs固有的低電導(dǎo)率嚴重阻礙了其催化活性。
針對這一現(xiàn)狀，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所界面功能高分子材料團隊張濤研究員與浙江大學(xué)侯陽研究員及中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所肖建平研究員合作開發(fā)出一種二維納米限域策略，即通過雙電極電化學(xué)系統(tǒng)將導(dǎo)電性差的MOFs限域在石墨烯層間（圖1），進而提高其OER催化活性。所獲得的NiFe-MOF//G催化劑僅需106mV的極低過電位即可達到10 mA cm-2電流密度，遠優(yōu)于原始NiFe-MOF及此前報道的大多數(shù)MOFs及其衍生物的催化活性（圖2）。同時，NiFe-MOF//G還表現(xiàn)出優(yōu)異的OER催化穩(wěn)定性，在10 mA cm-2電流密度下可穩(wěn)定運行超過150h（圖2）。
在進一步的表征及理論計算中發(fā)現(xiàn)，石墨烯多層納米限域不僅可以在MOF結(jié)構(gòu)中形成高活性NiO6-FeO5畸變八面體物種，優(yōu)化MOF材料的電子結(jié)構(gòu)和催化中心（圖3），而且能夠降低水氧化反應(yīng)的極限電位（圖4）。本文作者還證明了該策略能夠擴展至其它不同結(jié)構(gòu)的MOFs，并極大地提高它們的電催化活性。該項工作對原始MOFs作為惰性催化劑的普遍概念提出挑戰(zhàn)，揭示了低導(dǎo)電性甚至絕緣MOFs在電催化中的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以“Exceptional catalytic activity of oxygen evolution reaction via two-dimensional graphene multilayer confined metal-organic frameworks”為題發(fā)表在Nature Communications上（文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33847-z）。第一作者：Siliu Lyu、Chenxi Guo；通訊作者：侯陽、張濤、肖建平；通訊單位：浙江大學(xué)、中科院寧波材料所、中科院大連化物所。
該研究得到中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室開放課題等項目的支持。
圖1 NiFe-BTC//G的合成過程與結(jié)構(gòu)表征
圖2 NiFe-BTC//G在堿性條件下的電化學(xué)析氧催化性能
圖3 NiFe-BTC//G的局部原子配位環(huán)境和電子結(jié)構(gòu)分析
圖4 OER活性的密度泛函理論計算
（海洋實驗室 王佳寧）