中國石油大學（華東）趙學波團隊Adv. Funct. Mater.：雙金屬MOF-74為前驅體制備Co-Ni-P納米管高效電解水催化劑

【背景介紹】

能源消費的快速增長和相應的環境問題加劇了對可再生能源和清潔能源的需求，氫能作為一種可再生的清潔能源受到越來越多的關注。電解水制氫被認為是目前最有前景的制氫技術之一。在電解水的過程中，電化學析氧反應（OER）和析氫反應（HER）作為其中的兩個核心反應受到反應動力學的限制，均需要高效催化劑的參與加快反應的進行。現階段，RuO₂和Pt催化劑仍然是OER和HER最高效的催化劑，但是受限于貴金屬的儲量及成本，制備具有高催化活性的非貴金屬催化劑成為了該領域的研究熱點。

【成果簡介】

近日，Advanced Functional Materials在線發表了題為“金屬-有機框架為前驅體制備Co-Ni-P納米管高效電解水催化劑”(Metal-Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel–Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting)的研究論文，報道了一種通過金屬-有機框架的可控生長制備Co-Ni-P納米管高效電解水催化劑的最新研究成果。通過精確調節金屬-有機框架前驅體中金屬的原子比，控制金屬有機框架材料晶體的生長，進而得到了具有不同形貌的雙金屬有機框架及其磷化材料。通過特定Co-Ni原子比的調節可以得到具有中空納米管結構的Co-Ni-P復合材料，在堿性條件下具有優于貴金屬催化劑Pt/C-RuO₂的催化性能。論文通訊作者為中國石油大學（華東）非常規油氣與新能源研究院趙學波教授，第一作者為趙學波教授的博士研究生閆理停。

圖文導讀：

圖1.Co4Ni1P納米管的合成與表征

a)MOF-74-Co4Ni1和c)Co4Ni1P納米管的SEM照片；

b)MOF-74-Co4Ni1和d)Co4Ni1P納米管的TEM照片；

e) Co4Ni1P納米管的XRD譜圖；

f) Co4Ni1P納米管的氮氣吸附等溫線。插圖為Co4Ni1P納米管的孔徑分布；

g) Co4Ni1P納米管的HRTEM圖片；

h) Co4Ni1P納米管的分層圖像；

i) Co4Ni1P納米管的元素mapping。

圖2.?CoxNiyP的電催化性能

a) CoxNiyP和RuO₂上OER的線性掃描伏安(LSV)曲線；

b) LSV對應的Tafel圖；

c) 在過電位為300mV測得的電化學阻抗譜(EIS)；

d) 不同pH電解液中Co4Ni1P納米管的OER、HER的j₁₀過電位及Tafel斜率；

e) 電容電流-掃描速率曲線；

f) Co4Ni1P納米管在3000次循環前后的LSV(OER)；

g) Co4Ni1P納米管在3000次循環前后的LSV(HER)；

h)?Co4Ni1P納米管的時間電流密度曲線(OER)；

i) Co4Ni1P納米管的時間電流密度曲線(HER)。

圖3. Co4Ni1P納米管的全解水性能及穩定性

a) Co4Ni1P納米管全解水性能；

b) Co4Ni1P納米管全解水穩定性。

【總結&展望】

這項工作利用金屬有機框架中不同金屬與有機配體的配位作用，促使金屬有機框架結構在特定晶面的生長，進而通過對金屬有機框架材料優化后的結構的磷化作用，得到了具有中空納米管結構的Co4Ni1P復合材料。這種簡單的可控合成方法可以很容易的應用的其他金屬有機框架材料的衍生材料中，如對碳材料、磷化材料、硫化材料的可控合成及在能源相關領域的應用，為金屬有機框架材料的利用開辟了新的途徑。

【通訊作者簡介】

趙學波，中科院“百人計劃“入選者， 山東省“泰山學者”特聘專家。1986年畢業于遼寧石油化工大學并留校任教。2000年出國留學，2005年獲英國紐卡斯爾大學博士學位并留在該校繼續從事研究工作。留英期間獲“國家優秀自費留學生獎”和英國燃燒工程協會杰出研究成就獎“The Derek Ezra Award 2004”。2010年入選中國科學院“百人計劃”，任中科院青島生物能源與過程研究所研究員、“儲氫及新型納孔材料”團隊負責人。2014年轉入中國石油大學（華東）非常規油氣與新能源研究院工作，任教授委員會主任、博士生導師、“新能源科學與技術研究中心”主任，2015年當選山東省“泰山學者特聘專家”。他負責的研究中心現在主要從事新型金屬有機框架材料、新型碳材料的制備及其在氣體分離與存儲、新型電極材料、儲能材料、石油加工催化材料等方面的應用研發工作。近年來，在Science、Nature-Chemistry、JACS、Angew、AFM、Nano?Energy、CM、CC、JMC、Carbon、JPC、ACS Appl. Mater. Interfaces等國際著名學術期刊發表100多篇研究論文, 被國內外同行引用4000多次，以第一作者發表在Science上的論文單篇引用1000多次。

【團隊近期成果】

Liting Yan, Lei Cao, Pengcheng Dai, Xin Gu, Dandan Liu, Liangjun Li, Ying Wang, Xuebo Zhao*. Metal‐Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel–Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting. Advanced Functional Materials, 2017.?DOI: 10.1002/adfm.201703455

BiaoXiao, Minli Zhang, Jun Yan,?Guoping Luo, Ke Gao, Jiyan Liu, Qingliang You, Hong-Bo Wang, Chao Gao, Baofeng Zhao, Xuebo Zhao*, Hongbin Wu, Feng Liu. High efficiency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor. Nano Energy, 2017, 39: 478-488.

Liting Yan, Pengcheng Dai, Ying Wang, Xin Gu, Liangjun Li, Lei Cao, Xuebo Zhao*.?In Situ Synthesis Strategy for Hierarchically Porous Ni2P Polyhedrons from MOFs Templates with Enhanced Electrochemical Properties for Hydrogen Evolution. ACS Applied Materials & Interfaces 9.13 (2017): 11642-11650.

Liangjun Li, Pengcheng Dai, Xin Gu, Ying Wang, Liting Yan, Xuebo Zhao*. High oxygen reduction activity on a metal–organic framework derived carbon combined with high degree of graphitization and pyridinic-N dopants. Journal of Materials Chemistry A 5.2 (2017): 789-795.

Xin Gu, Liangjun Li, Ying Wang, Pengcheng Dai, Hongbo Wang, Xuebo Zhao*. Hierarchical tubular structures constructed from rutile TiO₂?nanorods with superior sodium storage properties. Electrochimica Acta, 2016, 211: 77-82.

原文鏈接：Metal-Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel–Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703455）

材料人編輯整理。

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