Advanced Materials:导电CuCo双金属有机框架具有高效析氢性能

金属有机骨架(Metal-Organic frameworks, MOFs)是由金属离子与有机配体自组装形成的材料,具有高的比表面积、可调控孔径大小和结晶度高等优点。因此,其在电催化领域具有很好的应用前景。然而大部分MOFs的导电性都很差,并且大多以粉末形式存在,使其在电催化过程中具有很高的电荷转移电阻,且容易发生团聚现象。自支撑导电MOFs材料可以有效的克服此类问题,但是自支撑导电MOFs的合成以及金属位点的活性调控仍然具有很大的挑战。

近日,哈尔滨工程大学朱春玲陈玉金教授和温州大学侴术雷教授合作,通过离子掺杂工程,将Co引入在柔性碳布上直接生长的导电Cu-catecholate纳米棒阵列中(Cu-CAT),制备了一种导电的CuCo-CAT双金属MOF纳米棒阵列(CuCo-CAT/CC)。电催化测试结果表明,CuCo-CAT/CC在碱性电解液中分别仅需要52 mV的过电位即可达到10 mA cm−2的电流密度,与Pt/C电催化剂接近。在中性电解液中,CuCo-CAT/CC依然具有高效的析氢能力,仅需要143 mV的过电位即可达到10 mA cm−2的电流密度,说明CuCo-CAT/CC在碱性和中性电解液下均具有潜在的应用前景。

图1. CuCo-CAT/CC的SEM,TEM和元素分布图。

密度泛函理论(DFT)计算表明,Co的引入可以优化Cu-CAT中Cu位点的氢吸附能(ΔGH*),与Pt(111)的吸附能接近。此外,Cu与Co偶联后,CuCo-CAT中Co位点对水的吸附能()明显低于Cu位点,有效地加速了析氢过程中的Volmer步骤,使CuCo-CAT具有高效的析氢性能。因此,在催化过程中,Co作为水吸附位点,Cu作为H*吸附位点,Co和Cu的协同作用提高了CuCo-CAT的析氢效率。同时,态密度计算结果显示,Co的掺杂改变了Cu-CAT的电子结构,增加了其电导,从而提高了CuCo-CAT的电荷转移速率和析氢性能。该离子掺杂策略为高效MOF基电催化剂的合理设计开辟了一条新的途径。

图2. CuCo-CAT/CC的电化学性能图

论文信息:

Conductive CuCo-Based Bimetal Organic Framework for Efficient Hydrogen Evolution

Bo Geng, Feng Yan, Xiao Zhang, Yuqian He, Chunling Zhu*, Shu-Lei Chou*, Xiaoli Zhang, Yujin Chen*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202106781

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202106781