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上海硅酸盐所在金属有机骨架水氧化催化方面取得重要进展
发布时间: 2021-11-17 17:05 | 【 【打印】【关闭】

  水氧化是电解水、燃料电池、金属空气电池等诸多能量转换与存储技术中的核心反应,但是水氧化反应涉及多电子和多质子转移以及氧-氧键的形成,是一个反应环境苛刻、能耗高且动力学缓慢的过程。因此,开发高效的水氧化催化剂来加速水氧化反应速率,对于能源转化和存储技术是至关重要的。金属有机骨架(MOFs)作为一类由过渡金属节点与有机连接基的配位而构建的新型材料,因其独特物理化学性质(包括定义明确的结构、相互连接且规则的孔道、暴露可及的金属活性位点、可精确控制的组件以及超高的比表面积等),有替代或补充当前贵金属基和碳基水氧化催化剂的巨大潜力。但是MOFs基材料在强氧、强碱的(酸性)的水氧化催化环境下很容易出现表面重构,导致活性位点难以确定。特别是具有多金属节点的MOFs催化剂,虽然多金属电子耦合作用可以提高其水氧化活性,但是多金属MOFs在水氧化过程中发生的构型转变更加复杂。因此,阐明多金属MOFs水氧化催化剂在役状态下材料与性能之间的构效关系、并从宏观材料到微观反应分子全角度建立其水氧化反应机制,对发展新型高效的非贵金属水氧化催化材料至关重要。 

  基于上述问题,中国科学院上海硅酸盐研究所王现英研究员团队通过原位光谱学结合理论计算揭示了NiCoFe-NDA有机骨架材料在水氧化过程中的表面重构现象及水氧化催化机制。首先通过阴离子交换策略设计构筑了具有铁、钴、镍三金属节点的二维超薄NiCoFe-NDA纳米片,并系统表征分析了NiCoFe-NDA初始体相的晶体结构、元素构成、电子结构等物化性质。在经过原位电化学活化后,体相NiCoFe-NDA表面发生了拓扑转变,形成了具有多金属电子耦合效应的氢氧化物活性物种。与单金属MOFs相比,转变后的t-NiCoFe-NDA在阴离子交换膜水电解池中表现出了优异的析氧活性与稳定性。该工作不仅为设计制备多元MOF电催化提供参考依据,也为MOF基催化剂在服役状态下构效关系的理解提供了有价值的指导。该成果以In-situ Ion-Exchange Preparation and Topological Transformation of Trimetal-Organic Frameworks for Efficient Electrocatalytic Water Oxidation”为题发表在Energy & Environmental Science2021DOI:10.1039/D1EE02606B)。论文第一作者为上海硅酸盐所联培学生岳楷航,导师为严雅副研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助和支持。 

  研究人员所在的氢能材料及器件课题组致力于非贵金属基电催化材料的研究,前期已经通过溶剂引导策略实现了不同维度MOFs的可控合成并研究其电催化水氧化性能(Mater. Chem. Front., 2021, 5, 7191)。此外,以MOFs为优势平台材料,设计构筑了面向肼燃料电池的中空碳纳米骨架催化剂(ACS nano, 2021,15,10286)以及MOFs基化材料在锌空电池领域的综述(Nano-Micro Lett., 2021, 13 , 1)。系列研究工作为氢能领域新型非贵金属基电催化材料的研究开发夯实基础。 

  附文章链接https://doi.org/10.1039/D1EE02606B

多金属有机骨架NiCoFe-NDA的合成及原位拓扑转变示意图

NiCoFe-NDA的水氧化性能以及在质子交换膜水电解池中的性能验证

原位光谱学结合理论计算阐述NiCoFe-NDA的水氧化构效关系以及水氧化机制研究

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