翟全国教授/赵川教授AM：高效水氧化多级孔MOF/LDH异质纳米管阵列电极- 大数跨境

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翟全国教授/赵川教授AM：高效水氧化多级孔MOF/LDH异质纳米管阵列电极

科学材料站

2021-01-22

导读：该工作提出了一种有前途的自下而上的晶格匹配合成策略，用于构建高度可控的、多级孔结构的导电MOF/氢氧化物(cMOF/LDH)异质纳米管阵列电极，展现出超高效的析氧反应(OER)活性。

文章信息

晶格匹配生长策略用于高效可控构建多级孔导电MOF/LDH异质纳米管阵列电极

First published：January 18，2021

第一作者：王颖

通讯作者：翟全国*，赵川*

单位：陕西师范大学，新南威尔士大

研究背景

电催化分解水是目前最有前景和最具环保性的能源转换技术之一，其中新型的、高效的、非贵金属基电催化剂的可控设计合成依旧是能源研究领域的难点。金属-有机框架材料(MOF)由于具有丰富的活性金属中心、可调控的孔道和多样的配位环境，是构建新型高效电催化剂的材料平台。但MOF材料固有的电绝缘性又使其在电催化领域的应用大大受限。

二维层状导电MOF（conductive MOF），是由金属中心和六方的平面型有机配体（-OH, -SH, -NH2）组成的有序多孔材料，其类石墨烯的层状结构有效的促进了电荷在结构中的快速迁移，表现出优异的氧化还原活性和高的导电性，是一类优异的导电MOF基催化材料设计平台。

文章简介

近日，陕西师范大学翟全国教授，新南威尔士大学赵川教授在 Advanced Materials (影响因子：27.398)上发表题为“Lattice Matching Growth of Conductive Hierarchical Porous MOF/LDH Heteronanotube Arrays for Highly Efficient Water Oxidation”的研究工作。

该工作提出了一种有前途的自下而上的晶格匹配合成策略，用于构建高度可控的、多级孔结构的导电MOF/氢氧化物(cMOF/LDH)异质纳米管阵列电极，展现出超高效的析氧反应(OER)活性。

本工作以多金属双层氢氧化物（CoNiFe-LDH）纳米线为内模板，选择配体尺寸与LDH晶格尺寸相近，且三个方向晶格参数完全匹配的导电MOF结构，通过晶格嫁接的方式，可控的构造出cMOF/LDH的异质界面。并在内模板LDH纳米线的持续消耗下，导电MOF沿着纳米线持续生长，实现了中孔尺寸从30 nm到110 nm的异质纳米管cMOF/LDH的可控合成。

其独特的异质纳米管阵列结构，可控的中孔结构，以及cMOF和LDH双组分协同催化作用，显著改善了异质纳米管阵列的OER反应活性，分别在超低的电位216和227mV下，电流密度即可达到50和100mA cm−2，Tafel斜率为34.1mV dec−1，是最好的MOF基非贵金属催化剂之一。而其大电流下的稳定性也使其有望成为可实际应用的电催化材料。

除此之外，采用XPS，XAS等手段对该cMOF/LDH异质纳米管阵列电极的反应中间态，真实的催化活性物质以及催化反应机理进行了详细的研究。

本文要点

要点一：该工作设计了一种新型的、高度可控的多级孔cMOF/LDH异质纳米管阵列电极，并且用于碱性介质高效的OER反应。通过晶格界面的嫁接，原位内模板消耗，精确控制cMOF壳层和三金属CoNiFe-LDH核的比例，实现了中孔尺寸的可控构造，实现了LDH到cMOF纳米管的结构演化。

要点二：在结构演变过程中，中间态的cMOF/LDH-48异质纳米管阵列集成了2D cMOF和LDH的优点，即大的比表面积、多级孔结构、高电导性能、以及丰富的表面金属位点，展现出优异的OER催化性能。

要点三：本研究提出的策略为快速制备多组分异质结构电催化剂提供了机会，该电催化剂具有高度有序的2D/1D异质纳米结构，具有能量转换和其他应用的可扩展特征。

导师专访

该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。

目前，电催化分解水产氢被认为是能源转换最有吸引力和最环保的方法，同时在工业上它也是转换和储存一些间歇性能源的有效方法。MOF材料是非常有前景的催化能源材料平台，对于新型MOF基催化材料的精确可控设计及其优化对于改善其性能而言至关重要。从晶体结构出发，充分利用MOF材料的结构优势，与其它无机底物结合构建具有异质结构的MOF基催化剂，扬长避短，充分发挥MOF材料的优势，无论对于其结构设计还是性能优化都是非常重要的。

您对该领域的今后研究的指导意见和展望

导电MOF材料已被证明可以很好的应用在能源领域，导电MOF基催化材料的设计、制备以及更广泛的催化领域应用时今后研究的重点。

文章链接

Lattice Matching Growth of Conductive Hierarchical Porous MOF/LDH Heteronanotube Arrays for Highly Efficient Water Oxidation

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006351

通讯作者介绍

翟全国，陕西师范大学化学化工学院，教授，博士生导师.

2014/05-2016/05，美国加州大学河滨分校，博士后；2011/04-2012/04，美国加州大学河滨分校，访问学者；2004/09-2007/05，中国科学院，福建物质结构研究所，博士。

http://www.chem.snnu.edu.cn/mobile/teach_show.aspx?id=1521

赵川教授。

西北大学毕业（博士，2002年），奥尔登堡卡尔·冯·奥斯西茨基大学博士后研究员（2002年至2006年），莫纳什大学研究学者（2006年至2010年），中国科学院教授，澳大利亚研究委员会澳大利亚研究员（2010年），新南威尔士大学任命讲师（2010年），高级讲师（2011年），副教授（2014年），澳大利亚研究委员会未来研究员（2017年），教授（2017年）。

https://www.chemistry.unsw.edu.au/staff/chuan-zhao