激光熨烫诱导在Co-ZIF-L上形成覆盖层，调节表面原位改性形成高自旋氧化物-碳杂化物，提高“真实催化剂”的析氧反应活性和稳定性

第一作者：刘伟豪，杨静

通讯作者：刘西蒙*，洪明辉*，张永伟*， John Wang*

单位：新加坡国立大学，新加坡科学与技术研究局高性能计算研究中心，厦门大学

金属有机框架（MOF）作为碱性溶液中的析氧反应（OER）催化剂已被广泛研究，然而在外加电压的情况下，它们常难以保持稳定并会转化为“真正的催化剂”——金属氢氧化物。这种剧烈的变化会造成预设计结构的崩溃并进而导致活性降低。而传统使用炉子热处理形成的碳基质负载金属纳米粒子（MNP），因MNP本身的团聚和后续反应的氧化也会导致催化性能的下降。激光处理作为一种超快工艺，具有高效率和低功耗的特点，其与MOF的相互作用可在毫秒内产生巨大的热量，这可以阻止MNP的团聚并形成覆盖在其外部的保护性碳层。因此，探究并优化激光处理条件，在MOF表面进行精确的原位修饰，使其在OER过程中保持独特的形貌并产生高活性和稳定的“真正的催化剂”是有价值且必要的。

近日，来自新加坡国立大学的John Wang教授，新加坡科学与技术研究局高性能计算研究中心的张永伟教授，厦门大学洪明辉教授，新加坡国立大学的刘西蒙博士，刘伟豪，等，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Laser-Ironing Induced Capping Layer on Co-ZIF-L Promoting In-Situ Surface Modification to High-spin Oxide-Carbon Hybrids on the “Real Catalyst” for High OER Activity and Stability”的观点文章。该文章提出了一种全新的“激光熨烫（LI，Laser-Ironing）”技术，可原位诱导生成“激光熨烫覆盖层（LICL，Laser-Ironing Capping Layer）”，实现了电催化过程中对前体形貌的保持并生成了高自旋氧化物，显著的提升了OER活性与稳定性，同时在机理上进一步探究了内在原因。

在这项工作中，研究者选用低功率激光作为能源，有目的地实现激光熨烫（LI），在Co-ZIF-L的表面进行原位转换，获得由碳和 Co 纳米颗粒组成的激光熨烫覆盖层 (LICL)包裹ZIF（Co-C/ZIF@CC）。通过调节LI功率，可以实现对LICL结构的调控。

所有样品均在OER反应后被转化为CoOOH，而具有特殊LICL结构的Co-C/ZIF@CC额外呈现出Co₃O₄纳米簇特征。且各种功率LI获得的Co-C/ZIF@CC都不同程度保留了前体Co-ZIF-L的叶片状结构，其中0.4 W LI样品保留的结构最为完整清晰。

具有独特LICL结构的Co-C/ZIF@CC有着最低的过电势和最高的稳定性，并且经过20小时稳定后的电流值是未处理样品ZIF@CC与传统炉子处理样品Co-C@CC的近两倍。在OER过程中，LICL可以确保最小的电化学面积变化，并且带来更低的电阻与更快的氧化还原物质扩散速率。

经由LICL在OER过程中调控活性物质形成的独特Co₃O₄纳米簇，其具有更多的高自旋态Co离子，这促进了电子的传输并带来更强的*OOH相互作用。相较于其他样品中的CoOOH，Co₃O₄纳米簇有着更低的能垒（1.03 Vs. 1.30），并实现了自发的O₂释放步骤。

Laser-Ironing Induced Capping Layer on Co-ZIF-L Promoting In-Situ Surface Modification to High-spin Oxide-Carbon Hybrids on the “Real Catalyst” for High OER Activity and Stability

John Wang 教授，目前工作于新加坡国立大学材料科学与工程系， 新加坡国立大学重庆研究院，在功能材料及材料化学领域拥有30年以上的研究和教学经验。目前研究方向涉及能源材料及器件、二维材料化学、纳米材料膜设计及其在水处理气体分离等领域的应用。John Wang教授目前担任新加坡国立大学重庆研究院院长。John Wang教授同时是亚太材料科学院院士，新加坡工程院、 新加坡科学院院士，2020-2023科睿高被引学者。

张永伟 教授，新加坡科技局高性能计算研究院杰出首席科学家, 新加坡国立大学和新加坡科技与设计大学兼职教授。长期从事理论、建模, 计算和模拟，以及研究材料的结构和性能之间的关系，一维和二维材料的机械-热耦合和机械-电子耦合，生物学力学和仿生材料与设计。张永伟曾担任新加坡高性能计算研究院工程力学主任和副执行院长。张永伟教授同时是美国工程科学学会Fellow，新加坡科技局杰出研究院Fellow，2018-2022科睿高被引学者。

洪明辉 教授，新加坡工程院院士 (SAEng)、美国光学学会(OSA)会士、国际光学工程学会(SPIE )会士、国际光子与激光工程学会(IAPLE)会士以及新加坡工程师学会 (IES)会士。现任厦门大学工程技术学部主任、萨本栋微米纳米科学技术研究院院长、陈嘉庚讲席教授、博士生导师。曾任新加坡国立大学教授、博士生导师、前沿研究和技术创新中心主任、光科学与工程中心主任。是激光光学领域的著名学者和领军科学家，长期从事激光微纳加工及检测技术研究，在激光微制造、激光清洗、激光焊接及光学检测等领域开展国际领先水平的研究工作。

刘西蒙 博士，新加坡国立大学材料科学与工程系博士后研究员。2016年于新加坡国立大学获得材料科学与工程专业荣誉特优学士学位，2020年于新加坡国立大学获得博士学位，随后在John Wang教授课题组从事博士后研究工作。主要研究方向为电化学储能与转化，包括金属离子电池，金属硫电池，超级电容器，电解水产氢等。目前共发表SCI论文40余篇，文章累计引用量4000余次，H因子29。近五年以第一作者/共同一作身份发表SCI论文10余篇，包括ACS Energy Letters、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials、Small等国际知名期刊。

刘伟豪，新加坡国立大学John Wang教授课题组2021级博士研究生，主要研究方向为能源的存储与转换和相关的界面调控，包括在电催化反应，电池材料等方面的应用。

杨静 博士，新加坡科学与技术研究局高性能计算研究中心资深科学家，专注于密度泛函理论研究。其研究领域涵盖燃料电池、锂离子电池、二氧化碳中和以及二氧化氮还原体系的界面反应。

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