蘇州大學Angew. Chem. Int. Ed.：納米尺度的三金屬MOF用于高效的析氧電催化

crystina 6年前 (2017-12-21) 7396瀏覽

【引言】

如今，能源危機和環境問題日益嚴峻，設計高效的能源轉換和儲存的電化學系統，如燃料電池、金屬空氣電池和電解水，尤為重要。然而，由于質子耦合電子轉移過程步驟較多，動力學反應緩慢，其中析氧反應（OER, 4OH-→2H2O +O2 + 4 e-）嚴重限制了電化學系統的效率。如今，最常見的OER陰極催化劑是貴金屬材料， 但是常常需要非常高的過電勢以滿足所需要的電流密度。此外，貴金屬催化劑成本非常高，限制了其大規模應用。因此，通過調整成分與組成，如金屬氧化物、氫氧化物、硫族化合物、氮化物、磷化物和碳基材料，開發高效且穩定的OER催化劑非常重要。而金屬有機框架 (MOFs)， 憑借其大的比表面積，高孔隙，和金屬中心和官能團的多樣性，在很多領域吸引了廣泛的關注。在電催化中，通過煅燒制備金屬氧化物和多孔的碳材料，MOFs是最好的前驅體。而高溫熱解過程常常會導致有機配體的損失和金屬的聚集，這將會完全破壞其結構，降低活性位點。另一方面， MOFs在電催化中同時具有均質和異質催化劑的優點，從結構上來說，MOFs可以不需要煅燒直接用作OER催化劑。MOFs表面不飽和的金屬原子和氫氧化物配體，以及雙金屬耦合效應大大增加了電催化OER活性，然而設計功能化的MOFs直接用作高效的OER催化劑仍然面臨很多挑戰。

【成果簡介】

近日，蘇州大學的郎建平教授和黃小青教授團隊在Angewandte Chemie International Edition期刊上發表了題為“Nanoscale Trimetallic Metal–Organic Frameworks Enable Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysis”的文章，文中作者通過溶劑熱法制備了一系列Fe/Ni基的三金屬MOFs （Fe/Ni/Co(Mn)-MIL-53）， 可直接用作高效的電催化劑。Fe/Ni/Co(Mn)-MIL-53的OER活性與組成相關。Fe/Ni2.4/Co0.4-MIL-53在236 mV的低過電勢下可以達到20 mA cm-2的電流密度，Tafel斜率也非常低 (52.2 mV dec-1) 。此外，通過將其直接增長在泡沫鎳（NF）上可以顯著增強這些MOFs的OER性能。該項工作的第一作者為李飛龍，郎建平教授和黃小青教授為共同通訊作者。

【圖文簡介】

圖一：Fe/Ni/Co(Mn)-MIL-53 and Fe/Ni/Co(Mn)-MIL-53/NF合成過程示意圖

圖二： Fe/Ni -MIL-53的微觀形貌及物相表征

（a）Fe/Ni2.4-MIL-53的SEM圖像；

（b）Fe/Ni2.4-MIL-53的TEM圖像；

（c）模擬的MIL-53, Fe-MIL-53, Fe/Ni2.4-MIL-53 以及 Fe/Ni2.4/Co0.4-MIL-53的PXRD圖譜；

（d）Fe/Ni2.4-MIL-53的HAADF-STEM圖像和STEM-EDS元素映射分布圖像。

圖三：Fe/Nix-MIL-53 (x=1.6, 2.0, 2.4) 的電化學性能

（a）Fe/Nix-MIL-53 (x=1.6, 2.0, 2.4)，商用Ir/C以及純玻璃碳電極GC的線性掃描伏安曲線；

（b）Fe/Nix-MIL-53 (x=1.6, 2.0, 2.4)，以及商用Ir/C的Tafel斜率比較。

圖四：Fe/Ni/Co(Mn)-MIL-53的微觀形貌表征及電化學性能

?（a）Fe/Ni2.4/Co0.4-MIL-53的SEM圖像；

（b）Fe/Ni2.4/Co0.4-MIL-53以及（c）Fe/Ni2.4/Mn0.4-MIL-53的HAADF-STEM圖像和STEM-EDS元素映射分布圖像；

（d）Fe/Ni2.4-MIL-53和Fe/Ni2.4/Mx-MIL-53（M=Co, Mn; x=0.2, 0.4）的OER極化曲線；

（e）不同催化劑分別在10 mA cm-2和1.5 V vs 可逆氫電極（RHE）下相對應的過電勢和電流密度；

（f）不同催化劑的Tafel斜率；

（g）Fe/Ni2.4/Co0.4-MIL-53在1000圈循環前后的極化曲線。

圖五：生長在NF上不同催化劑的OER電化學性能

（a）NF, NF做支撐的Fe/Ni-MIL-53、Fe/Ni/Mn0.2-MIL-53、Fe/Ni/Mn0.4-MIL-53、Fe/Ni/Co0.2-MIL-53以及Fe/Ni/Co0.4-MIL-53的OER極化曲線；

（b）相對應的Tafel斜率；

（c） Fe/Ni/Co0.4-MIL-53/NF在300 mV vs. RHE下持續很長時間測得的電流密度。

【小結】

本文作者利用水熱法成功制備了一系列Fe/Ni摩爾比可調的Fe/Ni基MOFs，可以直接用作具有高活性和穩定性的OER催化劑。性能最優的Fe/Ni2.4/Co0.4-MIL-53在236 mV的低過電勢下可以達到20 mA cm-2的電流密度， Tafel斜率也非常低 (52.2 mV dec-1) 。該MOFs高效的OER性能主要是由于其優異的結構和多孔性，以及混合金屬的協同效應。通過自模板方法將三金屬的MOFs構建在NF上更進一步增強了其OER活性和穩定性。

文獻鏈接：Nanoscale Trimetallic Metal–Organic Frameworks Enable Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysis (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201711376)

本文由材料人編輯部昝萍編譯，點我加入材料人編輯部。

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