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二维双MOF杂化:实现高效电化学析氧的新思路

电化学析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)是各类清洁绿色能源存储与转换装置(如电解水器件与金属-空气电池)中的关键过程之一。然而受限于OER缓慢的动力学反应速率及较高的反应过电势,电化学器件效率的提高仍依赖于高效电催化剂的开发。传统贵金属氧化物,如氧化钌(RuO2)和氧化铱(IrO2)虽具有优异的电催化OER活性,但是其高成本严重限制了该类贵金属催化剂的推广应用。因此,开发具有高活性、长寿命、低成本的催化剂对于OER及其相关技术的发展至关重要。近年来,金属有机框架化合物(MOF)及MOF衍生的纳米结构在该研究领域受到了极大关注。

二维双MOF杂化:实现高效电化学析氧的新思路

南京工业大学朱纪欣教授、伍伦贡大学孙文平博士团队合作开发了基于二维MOF的OER电催化剂。通过将电化学惰性的Fe-MOF纳米颗粒引入到活性二维Ni-MOF纳米片上,可以显著提高催化活性。在发挥二维纳米片形貌优势的基础上,有效结合Ni活性中心与Fe的协同效应,碱性条件下电化学性能测试结果显示,Ni-MOF@Fe-MOF达到10mA cm-2的电流密度仅需过电位265mV,相较于未修饰的纯Ni-MOF提高约100 mV。同样,二元NiCo-MOF纳米片也可以通过Fe-MOF修饰,获得类似的性能改善效果。通过对电化学氧化后的催化剂进行组成及结构分析发现,Ni-MOF@Fe-MOF在OER过程中原位形成了NiO纳米晶粒(≈5nm),作为OER活性中心的同时参与多孔纳米片的构筑,实现二维形貌及高OER活性的保留。这项工作为水氧化电催化剂的研究提供了新的思路,并且为开发用于电催化的高性能MOF衍生纳米结构开辟了新的途径。

相关论文在线发表在Advanced Functional MaterialsDOI: 10.1002/adfm.201801554),第一作者为芮琨博士。

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