氧析出反应电催化剂——金属有机骨架中的原子级CoOx物种

电化学氧析出反应(OER)在金属-空气电池和电解水器件中占据核心地位,然而由于该反应的动力学缓慢性急需高效的电催化剂来促进反应的发生。传统贵金属氧化物,例如氧化钌(RuO2)和氧化铱(IrO2)虽具有优异的电催化OER活性,但是过高的价格,地球上过低的储量以及在使用过程中的不稳定性严重限制了该类贵金属催化剂的大范围推广应用。几年来,价格相对低廉的过渡金属钴(Co)系材料尤其是其氧化物在该研究领域受到了极大关注。

另一方面,由于电催化过程往往发生在催化剂的表面,因此若可以降低Co系氧化物催化剂尺寸即可暴露出更多的催化活性位。在Co基金属有机骨架(MOFs)材料中,特别以ZIF-67为代表,其中的金属中心Co2+以原子级形式均匀地分布在材料之中。因此,利用ZIF-67的这一特性原位制备出原子级分布的氧化钴活性中心用于催化OER,具有重要的研究意义。

湖南大学王双印教授与西安交大沈少华教授、澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授共同报道了利用O2等离子体在室温条件下对ZIF-67进行处理,制备出负载于ZIFs中的原子级分布的CoOx物种(CoOx-ZIF),作为高效电催化活性中心用于催化OER。

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在等离子处理过程中,ZIF-67中金属Co与有机配体中的N原子之间原本形成的Co-N配位键部分断开,而体系中存在空位的Co在O2环境下随即被氧化,进而原位形成了原子级分散的CoOx物种。另外,ZIFs高比表面积以及经等离子体刻蚀后更为粗糙的表面也确保了OER过程中各类物质的通畅运输。等离子体处理之后制备的CoOx-ZIF具有优异的OER电催化活性,与原始ZIF-67相比在电流密度为10 mA cm-2时对应过电位减少了82 mV,而当CoOx-ZIF与导电炭黑混合之后该催化剂展示出了甚至优于商业化RuO2的电催化活性。

该研究也首次提出利用对MOFs的处理,从而原位获得原子级催化剂并应用于电催化领域。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201702546)上。

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