楼雄文教授， Angew 观点：钴铜基金属有机框架纳米盒催化剂高效电催化析氧- 大数跨境

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楼雄文教授， Angew 观点：钴铜基金属有机框架纳米盒催化剂高效电催化析氧

科学材料站

2021-10-24

导读：该观点文章报道了通过连续阳离子和配体交换策略成功合成了钴铜基导电金属有机框架纳米盒（CoCu-MOF NBs）催化剂

文章信息

钴铜基金属有机框架纳米盒催化剂高效电催化析氧

第一作者：程位任

通讯作者：楼雄文*

单位：新加坡南洋理工大学

研究背景

开发高效氧催化剂并深入研究其催化机理对提升现代高性能器件的能量转换效率起到至关重要的作用。导电金属有机框架材料有着高的电导特性以及活性组分可调的特点，有望发展成为高活性的氧催化剂。然而，体相导电金属有机框架材料所暴露的活性位点有限，直接制约了其电催化析氧活性的提升。

本篇观点展示了一种连续阳离子和配体交换的合成策略，用于制备具有中空结构的钴铜基导电金属有机框架催化剂，并通过对析氧反应后催化剂的原子结构进行表征，明确了该催化剂电催化析氧活性的本源。本文为高效、廉价氧催化剂的优化设计和可控合成提供了新的思路和方向。

文章简介

在这里，来自新加坡南洋理工大学的楼雄文教授团队，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Synergetic Cobalt-Copper-Based Bimetal-Organic Framework Nanoboxes toward Efficient Electrochemical Oxygen Evolution”的观点文章。

该观点文章报道了通过连续阳离子和配体交换策略成功合成了钴铜基导电金属有机框架纳米盒（CoCu-MOF NBs）催化剂，并利用同步辐射X射线吸收谱学等技术明确了电催化反应过程中表面重构所形成的钴铜基羟基氧化物是CoCu-MOF NBs催化剂真正的析氧活性结构。

图1. 钴铜基导电金属有机框架纳米盒的合成示意图以及形貌。

文章要点

要点一：钴铜基导电有机框架纳米盒的制备

本文通过连续的阳离子和配体交换策略，可控合成了具有中空结构的钴铜基金属有机框架纳米盒。首先以钴基沸石咪唑骨架立方块作为初始的模板，通过单宁酸的刻蚀作用形成中空结构的单宁酸-钴配合物纳米盒

接着将单宁酸-钴配合物纳米盒均匀分散到Cu2+ 离子溶液中，通过阳离子交换作用将单宁酸-钴配合物纳米盒中部分的钴原子置换成铜原子，形成单宁酸-钴/铜配合物纳米盒

最后单宁酸-钴/铜配合物纳米盒在含有2，3，6，7，10，11六羟基三亚苯配体的DMF溶液中通过配体交换作用，形成了钴铜基导电金属有机框架纳米盒（CoCu-MOF NBs）。

要点二：钴铜基金属有机框架纳米盒的高电催化析氧性能

CoCu-MOF NBs具有独特的中空结构和协同双金属位点，是极具潜力的电催化析氧催化剂。首先，大量暴露在纳米盒表面的金属活性位点可以和电解液充分接触，并直接参与催化反应，显著提升催化剂的电催化析氧性能

其次，钴和铜双金属位点的催化协同作用可以有效降低反应能垒，从而促进析氧反应动力学过程

最后，纳米盒的立方结构相对比较牢固，能够避免催化反应过程中的结构坍塌，使纳米盒催化剂在长时间工作情况下仍具有足够的稳定性。因此，CoCu-MOF NBs催化剂在碱性电解液中表现出优异的析氧催化活性和稳定性，在10 mA cm-2 电流密度下过电势仅为271 mV，且在300 mV过电势下析氧催化转换频率（TOF）达到0.326 s-1.

要点三：析氧反应活性结构的确认

通过对比CoCu-MOF NBs催化剂析氧反应前后的原子和电子结构，发现析氧反应过程CoCu-MOF NBs的表面会发生原子重构，形成高活性的钴铜羟基氧化物。所形成的钴铜基羟基氧化物表现出优异的电催化析氧活性，是CoCu-MOF NBs催化剂高析氧性能的真正来源。

结合第一性原理理论计算，进一步发现在钴羟基氧化物中引入铜原子，能够有效调节钴活性位点的电子结构，从而显著降低析氧反应中间产物的形成能垒，加速析氧反应动力学的过程。

文章链接

Synergetic Cobalt-Copper-Based Bimetal-Organic Framework Nanoboxes toward Efficient Electrochemical Oxygen Evolution

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202112775

通讯作者简介

楼雄文，南洋理工大学化学与生物医学工程学院Cheng Tsang Man讲座教授。

主要研究方向是纳米结构材料的设计合成及其在电池、电催化和光催化领域的应用。楼雄文教授专注于新能源材料与器件研究，并取得了卓越的研究成果。他现为Science Advances副主编、Journal of Materials Chemistry A编辑、Small Methods, Chemical Science, Nano Letters 等杂志编委。楼雄文教授在包括如Science (1篇)、Nature Energy (1篇)、Science Advances (13篇)、Chem (4 篇)、Joule (4 篇)、Nature Communications (6篇)、Energy & Environmental Science (33篇)、Journal of the American Chemical Society (17篇)、Angewandte Chemie – International Edition (73篇)、Advanced Materials (55篇)、Advanced Energy Materials (19篇)、Advanced Functional Materials (13篇)等国际顶级期刊发表论文360余篇，累计引用次数超过93000次，H指数高达180。

课题组主页: https://personal.ntu.edu.sg/xwlou/