EES综述：过渡金属基双金属MOF及其衍生催化剂用于电化学OER

Nanoyu

2021-03-06

析氧反应（OER）是水分解和可充电金属-空气电池中的关键电化学反应。其在这些装置中实现高效的清洁能源生产和储能具有举足轻重的作用。含两种不同金属离子的过渡金属基双金属MOFs（TMB MOFs）具有独特的协同效应，在水氧化反应中表现出优于相应的单金属MOFs的OER性能和稳定性。由于TMB基金属氧化物的化学组成和结构类型的多样性，它还可以作为前驱体和模板剂来制备具有高比表面积的合金颗粒修饰碳材料，或者可以作为双金属硫化物、磷化物和氢氧化物等金属化合物的前驱体和模板剂，从而实现不同金属元素的原子级混合。这些具有高密度活性中心的材料在水氧化反应中同样表现出较高的催化活性。

有鉴于此，加州大学河滨分校Pingyun Feng教授，中国石油大学（北京）戈磊教授综述了TMB MOFs及其衍生材料作为OER电催化剂的最新研究进展，包括利用密度泛函（DFT）计算和原位和operando技术分析其OER机理。

文章要点

1）在总结TMB MOFs基OER电催化剂的研究进展之前，研究人员首先概述了OER过程的反应机理和测试标准（OER的简单反应机理及影响因素和OER的电催化动力学参数），以提供对OER过程的进一步理解和标准的测试方案。

2）单金属MOF材料的低电导率仍然制约其电催化应用的主要障碍。一种改善其性能的行之有效的方法是通过引入辅助金属来改变其金属中心，并增加电化学活性区域，增强金属位点的价态并优化e_g轨道，改变电荷转移路径以及调节电子结构，从而改善OER电催化性能。此外，将次要金属节点结合到MOF的结构中可引起大量缺陷，并且两种不同金属之间的协同作用可明显增强电活性氧化还原反应。同时，具有可调整的化学组成和不同结构的双金属MOF也可以用作合成各种纳米结构材料的前体或模板。因此，研究人员通过开发各种制备方法来合成双金属MOF，两种常见的双金属MOF合成策略，包括一步法和后处理法。作者总结了TMB MOFs基OER催化剂的最新研究进展。

3）借助于渐进的表征技术和理论计算，研究人员主要通过基于密度泛函理论（DFT）和原位或Operando技术分析来揭示TMB MOFs基OER催化剂实际的活性中心，阐明了OER电催化过程中的杂原子掺杂效应和相演变，从而揭示TMB MOFs基OER的反应机理。

4）作者最后对设计更高效、更有应用前景的TMBMOF基OER电催化剂提出了个人见解。

参考文献

Songsong Li, et al, Transition metal-based bimetallic MOFs and MOF-derived catalysts for electrochemical oxygen evolution reaction, Energy Environ. Sci., 2021

DOI: 10.1039/d0ee03697h

https://doi.org/10.1039/d0ee03697h