我院李光琴教授研究团队发表Nature Communications通讯论文: “配体缺陷”策略促进MOFs电催化氧析出

发布人:李心宇 责任审核人:陈文波 发布日期:2019-11-21

        氧析出反应(OER)是众多能源转换系统的关键半反应。然而由于该反应的动力学过程缓慢,即使借助贵金属催化剂,该反应的效率依然非常低。开发高效廉价的OER电催化剂具有一定的挑战性。MOFs材料具有孤立的活性位点和大的比表面积,是高效催化剂的候选材料。但是由于MOFs材料的导电性差、活性位点容易被配体包埋,导致MOFs催化剂的电催化活性并不令人满意。 MOFs材料在电催化领域的应用研究仍处于初级阶段。

 

        基于此,中山大学化学学院李光琴教授和中南大学物理与电子学院刘敏教授合作,提出通过在MOFs中引入缺陷配体的策略来调控MOFs的电催化性能。缺陷的单羧酸配体的引入,一方面可以在MOFs中引入暴露的活性位点,另一方面可能会对MOFs的电子结构进行有效调控,从而提高MOFs的电催化活性。这将为发展MOFs电催化剂,提供新的思路。

 

图1

通过引入缺陷配体调控MOF电子结构,增强电催化活性

 

        首先为了验证 “缺陷配体策略的可行性,该团队选用一种层状的由金属钴和对苯二甲酸配位形成的MOFs(CoBDC)作为例子通过理论计算对材料的电子结构和理论活性进行研究。理论计算结果表明:部分引入缺陷的二茂铁单甲酸配体后,材料的电子结构能够被有效调控,价带和导带间的带隙减小,金属钴的离域化程度增加,从而优化了中间体的吸附,提高了材料的理论活性。

 

        基于理论计算,该团队合成了CoBDC,并引入二茂铁单甲酸的缺陷MOFs(CoBDC-Fcx)。通过将MOFs负载在泡沫镍基底上可以制备出规整的缺陷MOF纳米阵列CoBDC-Fc-NF。接下来他们使用同步辐射X射线吸收光谱,对材料的电子结构和配位环境进行了研究,结果表明:缺陷配体的引入确实能够有效调控材料的电子结构,同时引入配位不饱和的缺陷位点作为高活性的催化位点。电催化活性测试发现,引入缺陷配体二茂铁单甲酸后,材料的电催化OER活性,能够得到明显提高。同时该团队也在CoBDC中引入其他的单羧酸配体如对醛基苯甲酸和对氨基苯甲酸,并测试其催化性能,发现同样能提高CoBDC的电催化活性,证明该方法具有一定的普适性。该工作不但为拓展MOFs在电催化剂方面的应用提供了新的思路,而且为电催化剂的设计,提供了新策略。

 

        上述研究进展发表于Nature Communications杂志,中山大学化学学院为第一完成单位,中山大学化学学院李光琴教授和中南大学物理与电子学院刘敏教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、日本光源,广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目的大力支持。

 

        论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13051-2