杨永芳教授 Angew：用于高效析氧电催化的二维铁/钴金属有机框架的简易合成- 大数跨境

首页

杨永芳教授 Angew：用于高效析氧电催化的二维铁/钴金属有机框架的简易合成

科学材料站

2021-03-23

导读：该合成方法简单高效，成本低，收率高，适合功能性2D MOFs的规模化生产，拟将推动2D MOFs的商业化进程。

文章信息

用于高效析氧电催化的二维铁/钴金属有机框架的简易合成

第一作者：葛凯

通讯作者：杨永芳*，张玥*，潘明旺*，Lei Zhu*

单位：河北工业大学，凯斯西储大学

研究背景

近年来，非贵金属尤其是过渡金属(镍、钴、铁等化合物)，由于在自然界中储量丰富、成本低等优点，已被广泛用于光电催化领域。由过渡金属离子和有机配体组装形成的金属-有机框架（MOFs）具有明确的多孔结构和极大的比表面积，由有机框架支撑和保护的金属离子可以确保催化过程中的长期稳定性。

然而，传统的块状MOFs具有传质阻力大、导电性差、活性金属中心易被有机配体堵塞等问题，阻碍了它们在光电催化中的应用。与块状MOFs相比，超薄二维金属有机纳米片（2D MOFs）由于原子级厚度而具有传质速度快、导电性好的特点，其极高的暴露面积促进了与反应底物的相互作用，丰富、可调的不饱和金属位点、独特的表面原子结构和键合方式，使其在光、电催化领域具有巨大的应用前景，受到了科学家们的广泛关注。

文章简介

河北工业大学杨永芳教授、潘明旺教授、张玥副教授和美国凯斯西储大学Lei Zhu教授合作在Angewandte Chemie International Edition (影响因子：12.959)上发表题为“Facile Synthesis of Two‐Dimensional Fe/Co Metal‐Organic Framework for Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysis”的研究工作。

该工作报道了在室温下，在三乙胺和水均存在的条件下，通过简单搅拌Fe/Co盐和1,4-苯二甲酸（1,4-BDC）的反应混合物，可以轻松合成二维（2D）双金属（Fe/Co=1：2）金属有机骨架（MOF，〜2.2 nm厚）。通过研究反应体系中各组分的作用，揭示了2D MOF的生成机理，并发现这些2D MOF-Fe/Co(1:2)在碱性条件下对析氧反应(OER)表现出优异的电催化活性。

通过实验结果和密度泛函理论计算，揭示了其电催化机理。2D形貌和铁/钴共掺杂MOF协同促进了2D MOF-Fe/Co(1:2)优异的OER性能。该合成方法简单高效，成本低，收率高，适合功能性2D MOFs的规模化生产，拟将推动2D MOFs的商业化进程。

导师专访

该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点

非贵金属2D MOFs催化材料取得了突破性的研究进展，并有望成为替代传统贵金属催化剂的理想材料，但依然存在许多挑战：一是种类和合成方法仍然有限；二是对合成条件的要求高，所需时间长(>12 h)，能耗高(合成温度>100 ℃)且产量低。

因此探索温和、绿色、环保的合成条件，得到廉价、高效的非贵金属2D MOFs催化剂，是目前科研工作者需要面临的挑战。

本文要点

要点一：该工作在DMF/乙醇/三乙胺/水的混合溶剂中，通过在室温下直接搅拌金属离子(Co2+和Fe3+)和1,4-BDC的溶液制备了厚度仅为2.2 nm的二维双金属MOF-Fe/Co纳米片，提供了一种基于溶剂调控策略大规模制备2D MOFs纳米片的简单合成方法。

要点二：2D MOF纳米片在碱性溶液中具有优异的OER电催化活性，对应10 mA/cm2的过电位为238 mV，远低于块体MOF(427 mV)和3D MOF (311 mV)；其Cdl值为66.9 mF/cm2，远大于块体MOF(0.76 mF/cm2)和3D MOF (9.86 mF/cm2)。由于2D MOF-Fe/Co(1:2)纳米片在电催化过程中转化为稳定的Co-O和Fe-O结构，材料在50000 s耐久性试验显示了稳定的OER电催化活性。

要点三：密度泛函理论计算表明，在2D MOF-Co中引入Fe原子可以改变Co的电子态，从而降低了OER反应中关键步骤的自由能，提高了催化活性。该研究为大规模高产率生产2D MOF-Fe/Co纳米片提供了一种简单的方法，将促进2D MOF-Fe/Co纳米片材料的商业化。