中國粉體網(wǎng)訊 水氧化是電解水、燃料電池、金屬空氣電池等諸多能量轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)中的核心反應(yīng)，但是水氧化反應(yīng)涉及多電子和多質(zhì)子轉(zhuǎn)移以及氧-氧鍵的形成，是一個反應(yīng)環(huán)境苛刻、能耗高且動力學(xué)緩慢的過程。因此，開發(fā)高效的水氧化催化劑來加速水氧化反應(yīng)速率，對于能源轉(zhuǎn)化和存儲技術(shù)是至關(guān)重要的。金屬有機骨架（MOFs）作為一類由過渡金屬節(jié)點與有機連接基的配位而構(gòu)建的新型材料，因其獨特物理化學(xué)性質(zhì)（包括定義明確的結(jié)構(gòu)、相互連接且規(guī)則的孔道、暴露可及的金屬活性位點、可精確控制的組件以及超高的比表面積等），有替代或補充當(dāng)前貴金屬基和碳基水氧化催化劑的巨大潛力。但是MOFs基材料在強氧、強堿的（酸性）的水氧化催化環(huán)境下很容易出現(xiàn)表面重構(gòu)，導(dǎo)致活性位點難以確定。特別是具有多金屬節(jié)點的MOFs催化劑，雖然多金屬電子耦合作用可以提高其水氧化活性，但是多金屬MOFs在水氧化過程中發(fā)生的構(gòu)型轉(zhuǎn)變更加復(fù)雜。因此，闡明多金屬MOFs水氧化催化劑在役狀態(tài)下材料與性能之間的構(gòu)效關(guān)系、并從宏觀材料到微觀反應(yīng)分子全角度建立其水氧化反應(yīng)機制，對發(fā)展新型高效的非貴金屬水氧化催化材料至關(guān)重要。
基于上述問題，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所王現(xiàn)英研究員團(tuán)隊通過原位光譜學(xué)結(jié)合理論計算揭示了NiCoFe-NDA有機骨架材料在水氧化過程中的表面重構(gòu)現(xiàn)象及水氧化催化機制。首先通過陰離子交換策略設(shè)計構(gòu)筑了具有鐵、鈷、鎳三金屬節(jié)點的二維超薄NiCoFe-NDA納米片，并系統(tǒng)表征分析了NiCoFe-NDA初始體相的晶體結(jié)構(gòu)、元素構(gòu)成、電子結(jié)構(gòu)等物化性質(zhì)。在經(jīng)過原位電化學(xué)活化后，體相NiCoFe-NDA表面發(fā)生了拓?fù)滢D(zhuǎn)變，形成了具有多金屬電子耦合效應(yīng)的氫氧化物活性物種。與單金屬MOFs相比，轉(zhuǎn)變后的t-NiCoFe-NDA在陰離子交換膜水電解池中表現(xiàn)出了優(yōu)異的析氧活性與穩(wěn)定性。該工作不僅為設(shè)計制備多元MOF電催化提供參考依據(jù)，也為MOF基催化劑在服役狀態(tài)下構(gòu)效關(guān)系的理解提供了有價值的指導(dǎo)。該成果以“In-situ Ion-Exchange Preparation and Topological Transformation of Trimetal-Organic Frameworks for Efficient Electrocatalytic Water Oxidation”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science（2021，DOI:10.1039/D1EE02606B）。論文第一作者為上海硅酸鹽所聯(lián)培學(xué)生岳楷航，導(dǎo)師為嚴(yán)雅副研究員。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科委等項目的資助和支持。
研究人員所在的氫能材料及器件課題組致力于非貴金屬基電催化材料的研究，前期已經(jīng)通過溶劑引導(dǎo)策略實現(xiàn)了不同維度MOFs的可控合成并研究其電催化水氧化性能（Mater. Chem. Front., 2021, 5, 7191）。此外，以MOFs為優(yōu)勢平臺材料，設(shè)計構(gòu)筑了面向肼燃料電池的中空碳納米骨架催化劑（ACS nano, 2021,15,10286）以及MOFs基化材料在鋅空電池領(lǐng)域的綜述（Nano-Micro Lett., 2021, 13 , 1）。系列研究工作為氫能領(lǐng)域新型非貴金屬基電催化材料的研究開發(fā)夯實基礎(chǔ)。
附文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D1EE02606B
多金屬有機骨架NiCoFe-NDA的合成及原位拓?fù)滢D(zhuǎn)變示意圖
NiCoFe-NDA的水氧化性能以及在質(zhì)子交換膜水電解池中的性能驗證
原位光譜學(xué)結(jié)合理論計算闡述NiCoFe-NDA的水氧化構(gòu)效關(guān)系以及水氧化機制研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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