杜兴东吉辰原子力显微镜调控双金属NiFe THQ的电子结构,提高OER的催化活性

小夏 科技 更新 2024-01-29

电催化分解水被认为是以可持续和环保的方式生产清洁氢气的有效方法。 然而,电解水的阳极析氧(OER)是一个复杂的四电子转移过程,动力学缓慢,限制了电解水制氢的整体效率。 RuO2和IRO2等***基催化剂表现出优异的OER催化性能,但其稀缺性和高成本限制了其在水电解中的大规模应用。 因此,开发高效、高性价比的非最优电催化剂对促进电解水制氢技术的实际应用具有重要意义。

最近杜星,武汉科技大学董继辰,中国科学院化学研究所报道了一种使用具有高密度催化活性位点的最小苯基配体制备一系列双金属C-Mofs(NixFe1-X-THQ,THQ=四羟基-1,4-苯醌水合物)的简单方法。 通过调节Ni Fe的配比,获得了一系列电子结构最佳、吸附容量中等、电荷转移速率快的催化剂。

实验结果表明,最优Ni05fe0.在10 mA cm2的电流密度下,5-THQ催化剂的OER过电位仅为272 mV,催化剂的OER过电位为1在5 VRHE下连续操作40 h后活性无明显下降,反应后材料的形貌和结构均未发生变化,表明Ni05fe0.5-Thq表现出优异的稳定性(这种显着的电化学稳定性可归因于Ni、Fe和ThQ之间配位键的强螯合作用)。

一系列光谱表征和理论计算表明,Fe3+(T2G3EG2)由于其高自旋价电子构型和对称(T2G)D轨道中相应的三个不成对电子,可以与桥接O实现弱电子相互作用,而Ni2+(T2G6EG2)由于具有完全对称(T2G)D轨道,可以与桥接O实现较强的E-E排斥。

因此,当Ni2+与Fe3+偶联时,O2-和Ni2+之间的强烈E-E排斥会触发Ni2+向Fe3+的部分电子转移,这将很好地调控NixFe1-X-Thq中Ni位的电子构型,从而优化Ni位与吸附氧物种之间的结合强度,以满足Sabatier原理。

此外,随着电子密度的降低,具有低半全EG轨道的Ni2+与吸附的氧形成适当的键合,有利于提高催化活性,加快OER反应速率。 综上所述,本工作为构建具有更多高密度催化活性中心的双金属C-MOFS电催化剂以实现高效电解水提供了指导,也为MOFs电催化剂的设计与研究提供了新的思路。

regulating electronic structure of bimetallic nife-thq conductive metal–organic frameworks to boost catalytic activity for oxygen evolution reaction. advanced functional materials, 2023. doi: 10.1002/adfm.202310902

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