Adv. Mater.中山大學 多孔CoFe2O4/C復合納米棒陣列用于高效的電化學析氧

引言

近年來，低成本的過渡金屬氧化物被證實在堿性條件下對電化學析氧具有良好的催化活性和穩定性。相比傳統的單金屬氧化物，多金屬氧化物由于電子在不同價態間的躍遷，為電化學催化提供了必要的活性位點，從而具有了更高的電化學催化活性。但其自身導電性差的缺點限制了其進一步發展，相對于傳統的炭導電層的簡單包覆，金屬有機框架（MOFs）的碳化衍生物能做到金屬氧化物與炭材料的完美結合，因而被認為是構建高效的電化學催化劑重要的潛在前驅體。然而傳統的合成方法（水熱法等）得到的大多是MOFs的粉體材料，且碳化過程中往往伴隨著嚴重的團聚問題。

成果簡介

近期，中山大學化學院率先報道了一種聚苯胺輔助一步法熱解雙金屬MOFs合成NF@NC-CoFe₂O₄/C納米棒陣列的方法。該文章首先利用電化學沉積法在泡沫鎳表面沉積一層聚苯胺，再通過水熱法在其表面生長MOF-74-Co/Fe納米棒陣列，最后通過氮氣氣氛下熱解一步法得到CoFe₂O₄/C多孔的復合納米棒陣列，避免了二次空氣處理時碳材料的消耗及結構的破壞。泡沫鎳表面沉積的聚苯胺對捕獲過渡金屬離子及誘導晶體生長取向起到了重要的作用。這種熱解法得到的CoFe₂O₄/C納米棒陣列具有很好的電化學析氧活性及良好的穩定性。該工作主要由盧雪峰博士研究生、廖培欽博士和李高仁教授完成。（文末有福利）

圖文導讀

合成示意圖

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通過電化學沉積法在泡沫鎳（NF）表面沉積一層聚苯胺（PANI），然后通過水熱法在其表面一步法生長MOF-74-Co/Fe納米棒陣列，再通過氮氣氣氛下熱解得到CoFe₂O₄/C多孔的復合納米棒陣列。

圖1 CoFe₂O₄/C的結構表征

（a）MOF-74-Co/Fe納米棒的SEM圖（插圖：納米棒放大的SEM圖）；

（b）CoFe₂O₄/C納米棒的SEM圖（插圖：納米棒放大的SEM圖）；

（c,d）CoFe₂O₄/C納米棒低倍和高倍的TEM圖；（e）CoFe₂O₄/C的HRTEM圖；

（f）CoFe₂O₄/C的選區電子衍射圖；（g）圖e中藍色區域HRTEM的線掃圖；

（h-k）CoFe₂O₄/C的mapping圖。

圖2 CoFe₂O₄/C的譜圖表征

（a）CoFe₂O₄/C（氮氣中600℃熱解）和CoFe₂O₄（空氣中600℃熱解）的BET圖（插圖：對應的孔隙度分布圖）；

（b）CoFe₂O₄/C（氮氣中600℃熱解）和CoFe₂O₄（空氣中600℃熱解）的拉曼圖；

（c）CoFe₂O₄/C的XRD圖；

圖3 CoFe₂O₄/C的光電子能譜圖

（a）CoFe₂O₄/C（氮氣中600℃熱解）和CoFe₂O₄（空氣中600℃熱解）的全譜圖；

（b, c）Co 2p的能譜圖；（d, e）Fe 2p的能譜圖；（f）O 1s的能譜圖。

圖4 OER催化活性

（a）OER線性掃描伏安曲線；（b）OER對應的塔菲爾曲線；（c）計時電勢分析曲線；

（d）60小時電化學測試前后的OER線性掃描伏安曲線（插圖：測試后CoFe₂O₄/C納米棒陣列的SEM圖）。

結語

文章報道了一種新的聚苯胺輔助一步法熱解雙金屬MOF合成NF@NC-CoFe₂O₄/C納米棒陣列的方法。這種簡單的熱解法得到的生長在三維泡沫鎳上的CoFe₂O₄/C納米棒陣列具有顯著的電化學析氧活性及良好的穩定性。文章提出的由形貌可控的MOF合成多孔復合材料的思路為下一代電化學催化劑提供了新的方法。

文獻鏈接：Bimetal-Organic Framework Derived CoFe2O4/C Porous Hybrid Nanorod Arrays as High-Performance Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reaction. ?(Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604437)

本文由廈門大學肖良平投稿，材料人網編輯整理，感謝李高仁老師校稿。

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