102-54-5 / 電催化OER活性比NiFe LDH還好的二茂鐵基MOF 納米片

背景介紹

氫由于其環(huán)境友好性，高的比重能量密度和使用時(shí)的清潔度，是非常理想的能量載體。在各種制氫策略中，電解水是最簡(jiǎn)單，最清潔的方法之一。但是，這項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化仍然受到水分解反應(yīng)緩慢的阻礙，即氧氣釋放反應(yīng)（OER），這是一種速率控制步驟，需要大的超電勢(shì)才能提供可觀的電流。

過渡金屬基OER電催化劑的設(shè)計(jì)投入越來越多的研究。特別是基于NiFe的材料由于其高OER活性和低成本而受到廣泛關(guān)注。憑借獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和出色的穩(wěn)定性，NiFe層狀雙氫氧化物（LDH）被認(rèn)為是堿性環(huán)境中最有前途的OER電催化劑之一。改善NiFe LDH的電導(dǎo)率以提高其電催化活性的策略可分為1）與碳材料復(fù)合。2）調(diào)整LDH的微/納米結(jié)構(gòu)。前者著重于導(dǎo)電碳的引入以促進(jìn)電子傳輸，但LDHs上的部分活性位點(diǎn)可能被掩埋在引入的碳中，從而導(dǎo)致催化活性的損失。后者通常涉及將大片NiFe-LDHs剝離成單層納米片以暴露更多的活性位點(diǎn)，盡管制備過程既耗時(shí)又耗費(fèi)資源。

近年來，由于其有序的結(jié)構(gòu)和無與倫比的可調(diào)節(jié)性，由金屬離子與有機(jī)單元協(xié)同組成的金屬有機(jī)骨架（MOF）在催化領(lǐng)域受到了廣泛的研究。作為合成碳化物，硫化物，磷化物，和硒化物納米材料的前體。一些報(bào)告表明，無需繁瑣的后處理步驟的MOF可以保留其有序結(jié)構(gòu)，并可以用作活性電催化劑。

二茂鐵（Fc）是一種具有三明治結(jié)構(gòu)的代表性過渡金屬絡(luò)合物。由于兩個(gè)環(huán)戊二烯基環(huán)的芳香性，它具有出色的化學(xué)穩(wěn)定性以及氧化還原和磁性。這些獨(dú)特的性質(zhì)極大地拓寬了二茂鐵的應(yīng)用范圍，從電荷存儲(chǔ)到通信設(shè)備和催化作用。但是，尚未對(duì)含二茂鐵的MOF進(jìn)行OER研究。

本文要點(diǎn)

1. 首次展示了使用二茂鐵二羧酸作為有機(jī)配體與泡沫鎳（NF）上的鎳鹽配位合成2D MOF納米片。

2. NiFc-MOF/NF表現(xiàn)出出色的OER性能，在堿性條件下在10和100 mA cm-2下的過電勢(shì)分別為195和241 mV。

3. 實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論（DFT）的計(jì)算表明，1）限制在NiFc-MOF中的二茂鐵單元充當(dāng)電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)，2）獨(dú)特的電子2D結(jié)構(gòu)促進(jìn)了鎳活性位點(diǎn)與氫氧化物自由基中間體之間的接觸。