杨永芳、潘明旺、张玥教授，祝磊教授及林志群教授J MCA：用于高效OER的异质结构铁电BaTiO3@MOF-Fe/Co电催化剂- 大数跨境

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杨永芳、潘明旺、张玥教授，祝磊教授及林志群教授J MCA：用于高效OER的异质结构铁电BaTiO3@MOF-Fe/Co电催化剂

科学材料站

2022-02-18

导读：该文章制备了系列由介电常数不同的铁电BTO NPs和具有优异电子转移性能的二维 (2D) MOFs 构成的异质结，深入研究了铁电材料的极化对电催化OER 反应的影响

文章信息

通过一种简单的方法构建了具有高效 OER活性的 BaTiO₃@MOF-Fe/Co 异质结，研究了钛酸钡的极化对电催化 OER 反应的影响，为基于铁电纳米材料构建高效、无贵金属的 OER 电催化剂提供了理论支持。

第一作者：王爽，李琼

通讯作者：杨永芳*，张玥*，潘明旺*，林志群*，祝磊*

单位：河北工业大学，美国凯斯西储大学，美国佐治亚理工学院

研究背景

铁电材料的电极化常用于太阳能光催化，通过构建电场以实现光生载流子的高效分离和传输；然而，铁电材料的极化对电催化 OER 反应的影响却鲜有报道。在本研究中，通过在室温下搅拌 Co 或 Fe/Co 盐、对苯二甲酸（1,4-BDC ）和羧基修饰的钛酸钡纳米颗粒（BTO NPs），制备了系列由介电常数不同的BTO NPs （arBTO200和anBTO200）和具有优异电子转移性能的二维 MOFs (MOF-Co和MOF-Fe/Co）构建的异质结，以深入理解铁电材料的极化对电催化OER 反应的影响。arBTO200@MOF-Co 和 arBTO200@MOF-Fe/Co 异质结表现出比纯 MOF-Co 和 MOF-Fe/Co 更好的 OER 性能。

由于 anBTO200具有较高的介电常数，可以形成大极化场加速电子传输，因而anBTO200@MOF-Fe/Co异质结比arBTO200的异质结具有更加优异的OER活性（在1.0 M KOH，电流密度为10 mA/cm² 时的过电位是247 mV，相应的Tafel斜率为38.4 mV dec^-1，双层电容（Cdl）值为85.6 mF/cm²）。

密度泛函理论 (DFT) 计算结果表明，基于四方相BTO的异质结对于O*到OOH*的转变和O₂的解吸表现出较低的自由能，这可能是由于四方相BTO NPs具有较高的介电常数，较高的导电性和较小的电阻。高导电性的二维MOFs与高介电常数的BTO NPs的密切接触也有助于提高anBTO200@MOF-Fe/Co的OER活性。

文章简介

在这里，来自河北工业大学的杨永芳、潘明旺、张玥教授，和美国凯斯西储大学的祝磊教授及美国佐治亚理工学院的林志群教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Heterostructured ferroelectric BaTiO₃@MOF-Fe/Co electrocatalysts for efficient oxygen evolution reaction”的文章。

该文章制备了系列由介电常数不同的铁电BTO NPs和具有优异电子转移性能的二维 (2D) MOFs 构成的异质结，深入研究了铁电材料的极化对电催化OER 反应的影响，为基于高介电常数的铁电纳米材料设计和构建性能优异的、无贵金属的 OER 电催化剂提供了理论基础。

图1. BaTiO₃@MOF-Fe/Co异质结的合成示意图。

本文要点

要点一：制备了系列半导体2D金属有机框架纳米片和不同介电常数的钛酸钡纳米颗粒构建的异质结，并用于电催化OER。由于钛酸钡的极化产生的极化电场增强了电子传输，结合钛酸钡纳米颗粒后，所有的异质结均表现出优于纯 2DMOF-Fe/Co或2DMOF-Co的OER活性。

要点二：由高介电常数的anBTO NPs构成的anBTO/MOF异质结，具有优于较低介电常数的arBTO NPs构成的arBTO/MOF异质结的电催化OER活性，其中an@MOF-Fe/Co 异质结在碱性条件（1.0 M KOH）下，在 10 mA/cm² 下的过电位为 247 mV，Tafel 斜率为 38.4 mV dec^-1，Cdl 值为 85.6 mF/cm²，优于ar@MOF-Fe/Co（即分别为 266 mV、54.7 mV dec^-1 和 64.3 mF/cm²）。这可能是由于anBTO NPs具有较高的介电常数，能够产生较大的极化电场，进而导致了更快的电子传输。

要点三： DFT 计算结果表明，四方相BTO NPs 和 MOF-Fe/Co 纳米片之间的有效电子调制导致从 O* 转变为 OOH* 和解吸 O₂ 的自由能垒明显降低。实验和 DFT 结果都证实了具有高介电常数的自极化铁电 BTO NPs 产生的有利电场能通过紧密结合的界面增强MOF-Fe/Co的电荷传导，从而产生优异的 OER催化活性。

文章链接

Heterostructured ferroelectric BaTiO₃@MOF-Fe/Co electrocatalysts for efficient oxygen evolution reaction

https://doi.org/10.1039/D1TA10274E