研究人员提出MOF电催化剂的结构转化策略 提升转换效率

盖世汽车讯 作为产生氧气的化学过程，析氧反应（OER）对清洁能源技术发展具有重要意义，包括水电解剂、可再生燃料电池和可充电金属-空气电池。在许多材料中，这种反应只能达到有限程度，使某些类型能源技术的转换效率受到影响。材料科学家们一直致力于寻找替代材料，如金属、金属氧化物和氢氧化物，将其作为电催化剂来推动这一反应。然而，目前选定的材料要么不耐用，要么过于昂贵，远非适合大规模应用的理想材料。

用于电催化析氧的金属-有机骨架（图片来源：techxplore）

经过大量研究，金属-有机骨架（MOF）被认为是可能的OER电催化剂材料。这是一种杂化和结晶化合物，由被有机分子包围的带正电荷的金属离子规则阵列组成。虽然这些材料的催化性能均表现良好，但科学家们尚未找到提高其性能的最佳策略。

据外媒报道，中国国家纳米科学技术中心、悉尼大学和中国科学院的研究人员最近设计了一种策略，能够在析氧反应中实现高活性MOF结构转变。在新兴能源技术中，这一策略或将提升OER反应活性，提高转换效率。

MOF上的电势诱导结构转变过程

研究人员Zhiyong Tang表示：“2016年，我们发现了一类超薄金属-有机骨架纳米片（UMOFN），在电催化析氧方面表现出优异的活性和稳定性。采用不同的基于MOF的材料，已成功实现了对水裂解催化活性的实质性改进。然而，即使我们的MOF设计看起来很有希望，关于高OER催化活性的起源这一基本问题，仍然促使我们开始了为期五年的探索和研究。”

在最近进行的研究中，Tang及其同事的主要目标是，揭示在MOF电催化过程中高OER活性的来源和原因。这将帮助研究人员设计高性能的OER电催化剂，从而降低能耗，提高电解剂效率。Tang表示：“在MOF金属负极上，我们发现了一种电势诱导两步重建。在相对较低和较高的外加电势下，金属物质将分别转化为Ni0.5Co0.5(OH)2和Ni0.5Co0.5OOH0.75。在较高的外加电势下，原位生成的Ni0.5Co0.5OOH0.75具有丰富的氧空位和高氧化态，这与较高的析氧活性密切相关。”

根据Tang及其同事的设计，在OER过程中对MOF进行高度结构性转换的方法很简单，最终可用于在室温下大规模生产清洁能源的技术。研究人员利用这种方法开发了OER催化剂，可以用于各种可再生能源技术，包括电解剂、金属-空气电池和可逆燃料电池，提高转换效率。

Tang表示：“在MOF电催化过程中，我们发现了结构转变，并确定了高活性物质。我们的工作介绍了MOF催化中的原子层面催化机理，也为设计高性能的基于MOF的OER催化剂铺平了道路。利用这一机理，我们开发了一种具有极低超电势的高性能NiFe MOF催化剂。我们正在寻求更多支持，以扩大这项工作的规模，进行大规模测试。”