上海交大突破：二茂铁基MOFs在碱性电解水OER中的应用

上海交大突破：二茂铁基MOFs在碱性电解水OER中的应用

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中国科技网

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上海交通大学在碱性氧化物新材料应用领域取得重要突破，邹建新教授团队通过共沉积法成功合成了含镍的二茂铁基金属有机框架材料（Ni-Fc MOFs），并揭示了其在电化学析氧反应（OER）中的催化机理。这一研究成果为开发高性能、低成本的碱性电解水催化剂提供了新的思路。

电解水制氢是实现可再生能源规模化储存的有效途径，其中阳极的析氧反应（OER）是关键步骤。与阴极的析氢反应（HER）相比，OER涉及复杂的四电子转移过程，动力学更为缓慢，是整个电解过程的瓶颈。因此，开发高效、稳定的OER催化剂对于提升电解效率至关重要。

过渡金属基材料因其独特的电子结构和较高的地壳储量，成为替代贵金属催化剂的理想选择。其中，金属有机框架（MOFs）材料因其周期性晶体结构、高比表面积和可调控的化学组成，近年来在OER催化领域受到广泛关注。

邹建新教授团队通过共沉积法合成了二茂铁基MOFs（Ni-Fc MOFs）。该方法通过控制反应温度（25℃、60℃和95℃），可以调节MOFs中配体的缺陷密度。所得材料呈现出独特的纳米片结构，有利于反应物和产物的传质过程。

研究发现，25℃下合成的Ni-Fc(25) MOFs表现出最佳的催化性能。在10mA/cm²电流密度下，其过电位仅为228mV，塔菲尔斜率为55.6mV dec⁻¹，显示出优异的电催化活性。此外，该材料还具有良好的稳定性，在0.1M KOH溶液中，即使在高电流密度下也能保持长时间的催化性能。

为了揭示Ni-Fc MOFs的催化机理，研究团队采用了同步辐射X射线吸收谱（XAS）技术。通过非原位XAS分析，发现Ni-Fc(25)在反应前后的价态从+1.8升高到+2.8，表明镍位点发生了氧化。同时，配体缺陷的存在促进了高价态Ni⁴⁺OOH₁₋ₓ的形成，这是OER反应中的关键活性物种。

进一步的原位XAS研究揭示了电化学活化过程中金属位点的动态结构演化。随着电压的变化，Ni-Fc(25)中的镍价态和配位环境发生显著变化，证实了催化剂在反应过程中的结构重构行为。

这一研究成果不仅为开发高性能碱性电解水催化剂提供了新的材料体系，还通过同步辐射X射线吸收谱技术深入揭示了催化反应机理，为未来设计更高效的电催化剂提供了理论指导。

值得注意的是，与浙江大学通过掺杂铁元素增强氧化物催化剂表面氧亲电性的策略相比，上海交通大学的研究侧重于通过MOFs的结构设计和配体缺陷工程来优化催化性能。而日本早稻田大学研发的以海水和二氧化碳为原料的新型混凝土，则展示了碱性氧化物在建筑材料领域的创新应用。

这些突破性研究共同推动了碱性氧化物新材料的发展，为实现清洁能源转换和碳中和目标提供了新的技术路径。