研究人员提出MOF电催化剂的结构转化策略

作为产生氧气的化学过程,析氧反应(OER)对清洁能源技术发展具有重要意义,包括水电解剂、可再生燃料电池和可充电金属-空气电池。在许多材料中,这种反应只能达到有限程度,使某些类型能源技术的转换效率受到影响。

材料科学家们一直致力于寻找替代材料,如金属、金属氧化物和氢氧化物,将其作为电催化剂来推动这一反应。然而,目前选定的材料要么不耐用,要么过于昂贵,远非适合大规模应用的理想材料。

经过大量研究,金属-有机骨架(MOF)被认为是可能的OER电催化剂材料。这是一种杂化和结晶化合物,由被有机分子包围的带正电荷的金属离子规则阵列组成。虽然这些材料的催化性能均表现良好,但科学家们尚未找到提高其性能的最佳策略。

据外媒报道,中国国家纳米科学技术中心、悉尼大学和中国科学院的研究人员最近设计了一种策略,能够在析氧反应中实现高活性MOF结构转变。在新兴能源技术中,这一策略或将提升OER反应活性,提高转换效率。

研究人员Zhiyong Tang表示:“2016年,我们发现了一类超薄金属-有机骨架纳米片(UMOFN),在电催化析氧方面表现出优异的活性和稳定性。采用不同的基于MOF的材料,已成功实现了对水裂解催化活性的实质性改进。然而,即使我们的MOF设计看起来很有希望,关于高OER催化活性的起源这一基本问题,仍然促使我们开始了为期五年的探索和研究。”

在最近进行的研究中,Tang及其同事的主要目标是,揭示在MOF电催化过程中高OER活性的来源和原因。这将帮助研究人员设计高性能的OER电催化剂,从而降低能耗,提高电解剂效率。Tang表示:“在MOF金属负极上,我们发现了一种电势诱导两步重建。在相对较低和较高的外加电势下,金属物质将分别转化为Ni0.5Co0.5(OH)2和Ni0.5Co0.5OOH0.75。在较高的外加电势下,原位生成的Ni0.5Co0.5OOH0.75具有丰富的氧空位和高氧化态,这与较高的析氧活性密切相关。”

根据Tang及其同事的设计,在OER过程中对MOF进行高度结构性转换的方法很简单,最终可用于在室温下大规模生产清洁能源的技术。研究人员利用这种方法开发了OER催化剂,可以用于各种可再生能源技术,包括电解剂、金属-空气电池和可逆燃料电池,提高转换效率。

Tang表示:“在MOF电催化过程中,我们发现了结构转变,并确定了高活性物质。我们的工作介绍了MOF催化中的原子层面催化机理,也为设计高性能的基于MOF的OER催化剂铺平了道路。利用这一机理,我们开发了一种具有极低超电势的高性能NiFe MOF催化剂。我们正在寻求更多支持,以扩大这项工作的规模,进行大规模测试。”

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