近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所理論催化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員肖建平團(tuán)隊與中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所張濤研究員團(tuán)隊、浙江大學(xué)侯陽研究員團(tuán)隊在電解水材料設(shè)計中取得新進(jìn)展，制備了限域環(huán)境下的NiFe MOF材料，實現(xiàn)了超低過電位（106 mV）和超高電解穩(wěn)定性（大于150小時）的電解水過程。
電解水（oxygen evolution reaction, OER）是實現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)化中的重要過程。有機金屬骨架（MOFs）材料被認(rèn)為是一種極具潛力的電解水材料，然而，其電導(dǎo)率較差的特性阻礙了其作為電催化材料的發(fā)展進(jìn)程。
在本工作中，侯陽團(tuán)隊通過將NiFe MOF材料封裝在限域石墨烯層間，解決了MOF材料電導(dǎo)率差的本質(zhì)問題。與此同時，肖建平團(tuán)隊通過OER截頂式反應(yīng)相圖的建立，證明了限域環(huán)境提高了NiFe MOF材料的本征催化活性。
大連化物所揭示限域MOF材料用于高性能電解水反應(yīng)機理
肖建平團(tuán)隊以第一性原理密度泛函理論計算為研究手段，首先對限域環(huán)境下NiFe MOF材料中的活性位點的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。團(tuán)隊從限域?qū)﹄娮榆壍赖膽B(tài)密度影響可以推斷出，限域環(huán)境讓MOF材料上的活性位點可體現(xiàn)出更強的成鍵能力，根據(jù)傳統(tǒng)OER活性趨勢的推斷，這可能是增強OER催化活性的本質(zhì)原因。進(jìn)一步，團(tuán)隊對OER催化過程進(jìn)行研究，通過材料表面重要中間物種之間的相互線性關(guān)聯(lián)，在MOF材料中也得到了二維截頂式“反應(yīng)相圖”。這與之前該團(tuán)隊得到的在CoMn材料上所體現(xiàn)出的OER活性趨勢高度一致（Nat. Catal.，2022）。此外，在MOF材料的體系中，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)出高活性的限域NiFe MOF材料的主要活性位點也處于反常截頂?shù)幕钚曰鹕叫颓€的頂點平臺上，證明了該材料高OER活性的本質(zhì)。同時，一系列NiFe MOF材料的理論活性趨勢能夠和實驗活性趨勢完美契合，證明了理論模型的準(zhǔn)確性。
相關(guān)研究以“Exceptional catalytic activity of oxygen evolution reaction via two-dimensional graphene multilayer confined metal-organic frameworks”為題，于近日發(fā)表在《自然—通訊》（Nature Communications）上。該工作的共同第一作者是浙江大學(xué)博士后呂思劉和大連化物所助理研究員郭辰曦。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、國家自然科學(xué)基金、中科院B類先導(dǎo)專項“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測量”等項目的支持。
