随着能源和环境问题的日益突出，人们对新能源如氢能源等的开发也越发地关注。电解水作为生产氢气的一个重要途径受到人们极大关注，大量的研究结果表明，水氧化反应由于需要进行多步质子耦合的电子转移过程而成为整个电解水反应的瓶颈，因此努力提高水氧化电催化剂的性能显得十分重要。考虑到Ru基或Ir基等贵金属催化剂在成本和储量上的限制，人们对非贵电催化剂的研究产生了浓厚的兴趣。与传统的无机材料相比，金属-有机框架（MOF）材料种类和结构的多样性使其在电催化剂的设计合成上优势明显。
近日，苏州大学的郎建平教授、黄小青教授和王会芳副教授合作采用一种简单的“自下而上”的溶剂热合成方法，成功制备了一类具有优异电催化水氧化性能的超薄MOF纳米片。其中，混合溶剂（H2O/DMAC）的选择是合成纳米片的关键，他们发现这个合成方法具有很好的普适性，并尝试合成了一系列Ni基的双金属MOF纳米片。通过对反应条件的相应扩大，还能实现MOF纳米片的批量合成，在一定程度上解决了二维MOF纳米片产率低的难题。
根据形貌表征的结果，合成得到的双金属MOF（Ni-Fe-MOF）材料呈现出超薄的纳米片形貌。他们通过对MOF纳米片的物相、组分和热分析等一系列细致的表征，结合已报到的Ni-MOF([Ni3(OH)2(1,4-BDC)2(H2O)4]•2H2O, CCDC No. 638866) 的晶体结构，推导出了合成的双金属MOF纳米片的组成和结构（[Ni2Fe(OH)2(1,4-BDC)2(H2O)4(SO4)0.5]•4H2O）。电催化结果显示，在碱性电解质中，该超薄的MOF纳米片在10 mA•cm-2电流密度下的过电势仅为221 mV，塔菲尔斜率为56.0 mV•dec-1（iR-correction后），优于目前报道的大多数非贵金属水氧化催化剂，该材料在稳定性上也表现出优异的性能。
此外，他们利用光谱表征和理论计算的结果也证明了材料中Fe作为真正的活性位点，在电催化性能的提高上起到了关键的作用，同时，根据各个金属位点上不同反应过程的吉布斯自由能的变化，提出了不同金属位点上可能的水氧化反应机理。这项工作不仅为二维MOF纳米片的合成提供了简单有效的新策略，还为高效电催化剂的设计提供了新思路。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是苏州大学博士研究生李飞龙。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Large-Scale, Bottom-Up Synthesis of Binary Metal–Organic Framework Nanosheets for Efficient Water Oxidation
Fei-Long Li, Pengtang Wang, Xiaoqing Huang,* David James Young, Hui-Fang Wang,* Pierre Braunstein, Jian-Ping Lang*
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 7051-7056. DOI: 10.1002/anie.201902588
导师介绍
郎建平
https://www.x-mol.com/university/faculty/12841
黄小青
https://www.x-mol.com/university/faculty/12831
王会芳
https://www.x-mol.com/university/faculty/12859
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