由于析氧反應(yīng)(OER)動(dòng)力學(xué)緩慢，電催化水分解裝置的能量轉(zhuǎn)換效率受到限制。迄今為止，釕(Ru)和銥(Ir)基催化劑(RuO2和IrO2)由于其優(yōu)越的水氧化活性而被認(rèn)為是OER的基準(zhǔn)催化劑。
但是，Ru和Ir價(jià)格昂貴且稀缺，限制了它們在大規(guī)模設(shè)備中的使用。根據(jù)最近的研究，基于非貴金屬的金屬有機(jī)框架(MOFs)已成為一種應(yīng)用廣泛的OER電催化劑。由于其可及性、可調(diào)孔隙率和化學(xué)功能以及明確的周期框架結(jié)構(gòu)，在構(gòu)建高效水氧化催化劑方面具有很大的前景。
近日，香港城市大學(xué)朱宗龍、新加坡科技研究局(A*STAR)徐政濤和暨南大學(xué)王子龍等設(shè)計(jì)了一種以硫醇官能化的2,6-二巰基苯-1,4-二羧酸(DMBD)作為連接劑的Ni-MOF催化劑(Ni(DMBD)?MOF)，其具有優(yōu)異的電催化OER活性。
該二維MOF具有金屬?硫(M?S)和金屬?氧(M?O)鍵，并且層間空間包含第二種類型的金屬離子與羧基O供體結(jié)合，并由水配體橋接。這種新的MOF并不是像之前的研究那樣將Ni?S催化劑顆粒沉積到MOF基質(zhì)上，而是將Ni?S集成到配位鏈中，以功能化MOF框架。
此外，密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，所制備的Ni(DMBD)?MOF具有金屬電子結(jié)構(gòu)，表明集成的Ni?S增強(qiáng)了電導(dǎo)率。
基于上述結(jié)論，研究人員在Ni(DMBD)?MOF加入Fe元素，雙金屬NiFe(DMBD)-MOF在100 mA cm?2電流密度下的過電位低至280 mV；在以NiFe(DMBD)-MOF/NF為陽極和Pt/C/NF為陰極的水電解槽中，僅需1.50 V的電池電壓就能產(chǎn)生10 mA cm?2的電流密度。
總的來說，本研究展示了一種高效穩(wěn)定的MOF OER催化劑，并且為利用分子設(shè)計(jì)和晶體工程實(shí)現(xiàn)明確定義的晶體電催化劑提供了有效策略。
Molecular Engineering Metal-Organic Frameworks as Efficient Electrochemical Catalysis for Water Oxidation. Advanced Materials, 2023. DOI: 10.1002/adma.202300945
