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楊世和/張利波/胡覺/黃勃龍AM:重構MOF作為穩定的OER電催化劑

本文首次報道了通過精確重建MOF結構

楊世和/張利波/胡覺/黃勃龍AM:重構MOF作為穩定的OER電催化劑
根據設計的骨架結構重構金屬有機骨架(MOFs),為實現優異的OER電催化性能提供了突破的機會,但由于合成過程中的重大挑戰,很少研究。
基于此,北京大學深圳研究生院楊世和教授、昆明理工大學張利波教授和胡覺教授、香港理工大學黃勃龍教授(共同通訊作者)等人首次報道了通過精確重建MOF結構,即在活性位點具有不同配位環境的MOF-74-Fe到MIL-53(Fe)-2OH,制備了一種穩定的OER電催化劑。
制備的MIL-53(Fe)-2OH催化劑在10 mA cm-2時的過電位為215 mV,Tafel斜率為45.4 mV dec-1和在300 mV過電位時周轉頻率為1.44 s-1,是商用IrO2催化劑(0.0177 s-1)的80多倍。
楊世和/張利波/胡覺/黃勃龍AM:重構MOF作為穩定的OER電催化劑
密度泛函理論(DFT)計算揭示了這兩種MOFs不同的電子結構。從費米能級(EF)附近的電子分布發現,MOF-74-Fe的成鍵軌道以碳鏈為主,只有有限的Fe位貢獻,導致Fe的電活性相對較弱。
在MIL-53(Fe)-2OH中,Fe位點表現出高度富電子特征,表明高電活性。同時,酚基的O位點和連接點有利于MIL-53(Fe)-2OH內的電子轉移,從而提高OER性能。
楊世和/張利波/胡覺/黃勃龍AM:重構MOF作為穩定的OER電催化劑
值得注意的是,Fe-3d軌道表現出3.43 eV的eg-t2g大分裂,導致MOF-74-Fe中存在較大的電子轉移障礙。
OH-s, p軌道位于較深的位置,主要起到電子儲層的作用,Fe-3d與OH-s, p軌道之間有限的重疊增加了點對點電子轉移的難度。MIL-53(Fe)-2OH中Fe-3d軌道的eg-t2g分裂顯著減輕到1.19 eV,更有效的電子從MOF轉移到中間產物。
楊世和/張利波/胡覺/黃勃龍AM:重構MOF作為穩定的OER電催化劑
Rationally Reconstructed Metal-organic Frameworks as Robust Oxygen Evolution Electrocatalysts. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202208904.
https://doi.org/10.1002/adma.202208904.

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