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中澳研究人员提出高活性MOFs设计方案 提高转化效率

来源:【拓尔德TRD】 发布日期:2021-12-15 分享 加入收藏 关注:7

析氧反应(OER)是导致分子氧生成的化学过程。这种反应对于清洁能源技术的发展至关重要,包括水电解槽、再生燃料电池和可充电金属空气电池


到目前为止,这种反应发生的程度在许多材料中受到限制,这限制了某些类型能源技术的转化效率。因此,材料科学家一直在努力寻找替代材料,包括金属、金属氧化物和氢氧化物,它们可以用作电催化剂来推动这一反应。然而,到目前为止确定的材料远不是大规模实施的理想材料,因为它们不是特别具有抵抗力,就是价格太贵。


一类被广泛研究作为OER电催化剂的材料是金属有机骨架(MOFs),杂化和晶体化合物,由有机分子包围的正电荷金属离子组成。虽然这些材料具有很好的催化性能,但科学家们尚未找到提高其性能的最佳策略。


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,使高活性MOFs在析氧反应过程中发生结构转变。发表在《自然能源》(NatureEnergy)上的一篇论文提出了这一战略,可以增加新兴能源技术的OER活动,从而提高其转化效率。


电催化析氧的金属有机骨架。


“2016年,大家发现了一类超薄金属有机骨架纳米片(UMOFNs),它在电催化氧气演化方面表现出了优越的活性和稳定性,”进行该研究的研究员之一唐智勇(ZhiyongTang)告诉TechXplore一经报道,它就引起了科学界的广泛兴趣,并且使用不同的MOF基材料成功地提高了水裂解的催化活性。即使大家的MOFs设计看起来很有希翼,但关于高OER催化活性起源的基本问题促使大家开始了为期五年的研究探索,最终以大家最近的论文告终。”


唐和他的同事最近进行的这项研究的主要目的是揭示MOF电催化过程中OER活性高的来源和原因。最终,这将使研究人员能够设计出高性能的OER电催化剂,从而降低能耗,提高电解槽的效率。


唐说明说:“大家发现了一种电位诱导的MOF金属阳极两步重建法。”大家发现,在较低和较高的应用电位下,金属物种将分别转化为Ni0.5Co0.5(OH)2和Ni0.5Co0.5OOH0.75种。原位生成的Ni0.5Co0.5OOH0.75(在高电位下)具有丰富的氧空位和高氧化状态,与高放氧活性有很好的相关性。


唐和他的同事们设计的OER过程中对高MOFs进行结构转化的方法很简单,最终可以用于在室温下大规模生产清洁能源技术。利用这种方法,研究人员创造了OER催化剂,可以集成到各种可再生能源技术中,包括电解槽、金属空气电池和可逆燃料电池,提高它们的转化效率。


MOFs的势诱导结构转变过程

“大家在MOF电催化过程中发现了一种结构转变,并确定了高活性物种,”唐说本文先容了MOFs催化的原子级催化机理,为设计高性能MOF基OER催化剂奠定了基础。利用这一机制,大家开发了一种具有极低过电位的高性能NiFe-MOF催化剂,大家现在正在寻求额外的支撑,以扩大这项工作的规模,以便进行大规模试验。”


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