背景介紹
迄今為止,，大多數(shù)報(bào)道的催化劑都是以粉末形式制備的，并通過(guò)將其作為漿料沉積到平面電極上,，添加聚合物粘合劑進(jìn)行評(píng)估,。然而，這種方法不可避免地會(huì)導(dǎo)致活性位點(diǎn)被埋藏,、電子和質(zhì)量傳輸受阻,，以及在高電流密度下催化劑的分離。為了解決這些問(wèn)題,，研究人員將重點(diǎn)放在無(wú)粘合劑的自立式電極上,，在這些電極中，催化劑直接在導(dǎo)電襯底上生長(zhǎng),。然而,，實(shí)現(xiàn)對(duì)電極組成的精確控制并在這些電極中均勻分布活性位點(diǎn)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在過(guò)去的幾十年里,，金屬有機(jī)框架（MOF）材料在創(chuàng)造新型納米結(jié)構(gòu)等方面取得了重大進(jìn)展,，這些新型結(jié)構(gòu)在能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存、傳感,、催化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。具體來(lái)說(shuō),，通過(guò)有機(jī)配體、金屬節(jié)點(diǎn)和合成環(huán)境的精確設(shè)計(jì),，可以有效地調(diào)整MOF的結(jié)構(gòu)和均勻性,，以滿足特定的應(yīng)用需求。這些優(yōu)勢(shì)是MOF所獨(dú)有的,，在大多數(shù)其他傳統(tǒng)多孔納米材料中很難實(shí)現(xiàn),。盡管MOF具有靈活的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)可調(diào)性，但由于其電子導(dǎo)電性差和穩(wěn)定性不足,，這限制了它們?cè)谄骷械膽?yīng)用,。因此，基于MOF衍生物的研究引起了更多關(guān)注,，以期增強(qiáng)MOF的性能,。與原始MOF相比，MOF衍生材料因其固有的優(yōu)勢(shì),，尤其是更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,、增強(qiáng)的電子導(dǎo)電性以及更均勻的結(jié)構(gòu)，已成為研究的熱點(diǎn),。這些特性使它們?cè)诰|(zhì)粉末材料和膜材料的合成中得到了廣泛的應(yīng)用,。近期，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部氫電能源材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過(guò)金屬有機(jī)框架合成了鎳片自支撐碳納米管復(fù)合電極,。研究發(fā)現(xiàn),，Ni的引入能夠調(diào)整催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變催化劑的OER速率決定步驟,，顯著提升了析氧反應(yīng)的效率,，并且具有良好的穩(wěn)定性。
精確控制電極組成并在這些電極中構(gòu)建均勻分布的活性位點(diǎn)仍然具有挑戰(zhàn)性,。在此，我們提出了一種通用策略,，即利用金屬有機(jī)框架（MOF）/鎳箔可控合成自支撐Co-Ni/氮摻雜碳納米管陣列（CoNi-NCNT/NiF）作為高效的OER電催化劑,。實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論（DFT）計(jì)算結(jié)果表明，Co納米粒子的協(xié)同效應(yīng),、雜原子摻雜和NCNTs的約束效應(yīng)能夠增強(qiáng)電子傳輸并加速電催化動(dòng)力學(xué),。此外，CoNi-NCNT/NiF的多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)化成分將增強(qiáng)傳質(zhì),、電子轉(zhuǎn)移及中間物吸附能力,，所有這些因素共同作用使催化劑具有優(yōu)異的電催化活性和穩(wěn)定性。在堿性電解質(zhì)中,，CoNi-NCNT/NiF僅需268 mV的低且穩(wěn)定的OER過(guò)電位即可在20 mA·cm?2電流密度下工作,，表現(xiàn)優(yōu)異，位居迄今為止報(bào)道的非貴金屬催化劑前列。該研究為可持續(xù)清潔能源應(yīng)用中的自支撐電催化劑的精確構(gòu)建提供了新的指導(dǎo),。
圖1 DFT機(jī)理研究
上述成果以“General design of self-supported Co-Ni/nitrogen-doped carbon nanotubes array for efficient oxygen evolution reaction”為題,，發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（IF: 9.4）上。齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)部2022級(jí)碩士研究生牟夢(mèng)菲為文章的第一作者,，材料學(xué)部閆理停副教授,、趙學(xué)波教授和濰坊大學(xué)孔祥軍老師為文章的共同通訊作者。
本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金,、山東省高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目,、濟(jì)南市“新高校20條”、齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）人才科研項(xiàng)目等項(xiàng)目支持,。