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近几十年来，科研人员一直致力于开发高效的电催化剂对水进行电化学转化，以生产生态友好和可持续的氢能源。作为水裂解反应的瓶颈，阳极处的析氧反应(OER)需要相对较大的热力学电位(超过1.23
V vs. RHE)以克服因四个“电子-质子”转移过程而导致的缓慢动力学。尽管金属有机骨架(MOFs)是一种具有前景的OER电催化剂，但其固有的低电导率严重阻碍着催化活性。
在本文中，作者设计出一种高效的限域策略，即通过将导电性差的MOFs限域在石墨烯多层中，从而提高其OER活性。所获得的NiFe-MOF//G催化剂仅需106 mV的低过电位即可达到10 mA cm−2
电流密度，且稳定运行超过150 h，远优于原始NiFe-MOF的性能。研究发现，石墨烯多层限域不仅可以在MOF结构中形成高活性NiO
6
-FeO
5
畸变八面体物种，而且可以降低水氧化反应的极限电位。
第一作者：Siliu Lyu、Chenxi Guo
通讯作者：侯阳、张涛、肖建平
通讯单位：浙江大学、中科院宁波材料所、中科院大连化物所
DOI: 10.1038/s41467-022-33847-z
亮点解析
催化剂合成与结构表征
如图1a所示，通过双电极电化学系统合成出NiFe-BTC//G催化剂。简言之，首先将商业石墨箔在0.5 M H
2
SO
4
溶液中膨胀处理0.5
h以获得石墨烯多层。随后，采用特定的有机盐溶液作为电解质，将有机配体插入碰撞的石墨烯/石墨层中。将处理后的石墨箔浸入金属盐溶液(如Ni
2+
或Fe
3+
)中，从而在石墨烯多层界面处形成MOF插层(图1b)。NiFe-BTC//G的横截面HRTEM图像表明，MOFs插层后石墨箔的层间距从0.308 nm增加至0.668 nm (图1c-g)。
如图4a所示，与块体NiFe-BTC相比，NiFe-BTC//G的投影态密度(PDOS)表现出更低的能级和Ni/Fe 3d与相关O 2p轨道的更大电子共振，表明纳米限域效应下Ni/Fe-O的更强键合。图4b为O*/OOH*和OH*(描述符)的吸附自由能关系，即标度关系。在电极电位为1.6 V vs RHE情况下，构建出二维(2D)活性图，即反应相图(RPD) (图4c)。如图4e所示，NiFe-BTC//G
Ni
以及NiFe-BTC//G
Fe
, NiFe-BTC
Ni
, and NiFe-BTC
Fe
上OER过程的自由能图表明限域结构更低的极限电位，其中NiFe-BTC//G
Ni
的电位限制步骤为OH*的脱质子化(0 V时为1.40 eV，即0.17 V的过电位)。
图4
.
OER活性的密度泛函理论计算。
文献来源
Siliu Lyu, Chenxi Guo, et al.. Exceptional
catalytic activity of oxygen evolution reaction via two-dimensional graphene
multilayer confined metal-organic frameworks.
Nature Communications.
2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33847-z.
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33847-z点分享点收藏点点赞点赏
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