JACS封面：核壳结构金属有机骨架衍生高效的双功能电催化剂用于电催化分解水

注：文末有本文作者科研思路分析

随着经济的发展，全球能源需求不断增加，随之带来日益严重的环境污染问题。氢能源是一种清洁、高效、可再生的理想能源，电解水制氢是实现工业化廉价制备氢气的重要手段。电解水过程包含析氢和析氧两个半反应，其中析氧反应在动力学上较为困难，成为电解水制氢的瓶颈。目前商用的析氢和析氧催化剂主要为贵金属，其高昂的价格和稀有的储量制约了这一过程的发展，寻找价格低廉和储量丰富的非贵金属催化剂成为近年来研究的热点。近日，清华大学的陈晨教授（点击查看介绍）团队成功制备出核壳结构金属有机骨架衍生的过渡金属磷化物双功能电催化剂，并将该催化剂同时作为阴极和阳极，可以实现水的全分解。

该团队以具有核壳结构的金属有机框架ZIF-8@ZIF-67作为前驱体，采用热解-氧化-磷化策略，设计合成了新型的氮掺杂碳纳米管空心多面体包覆的CoP纳米粒子催化剂，在热解过程中，ZIF-8核作为种子，金属Zn结点在高温下蒸发，ZIF-67壳在热解过程中形成均匀分散的Co纳米粒子。他们还发现，Zn的挥发有利于碳纳米管的形成，进一步提高了传质。基于强烈的协同效应，合成的催化剂在催化酸性HER、碱性HER以及OER时均表现出较高的活性和稳定性。鉴于此，作者将其组装成原电池，发现电池在1.64 V下可以驱动水全分解，并且还具有很好的稳定性，经过36 h几乎没有衰减。密度泛函理论计算研究表明，从氮掺杂的碳纳米管空心多面体到CoP的电子转移能够有效地增加费米能级附近Co的d轨道的电子态密度，增加氢的吸附，提高电催化性能。与此同时，计算结果也表明，氮掺杂的碳纳米管空心多面体包覆的CoP纳米粒子具有很好的抗氧化能力，该催化剂具有极好的稳定性。

该研究对今后如何设计出高效、稳定并且具有新颖结构的过渡金属磷化物/碳基催化剂，并促进其走向电催化应用具有重要的意义。相关成果近期发表在J. Am. Chem. Soc. 上，并被选为封面论文。

该论文作者为：Yuan Pan, Kaian Sun, Shoujie Liu, Xing Cao, Konglin Wu, Weng-Chon Cheong, Zheng Chen, Yu Wang, Yang Li, Yunqi Liu, Dingsheng Wang, Qing Peng, Chen Chen, and Yadong Li

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Core-Shell ZIF-8@ZIF-67-Derived CoP Nanoparticle-Embedded N-Doped Carbon Nanotube Hollow Polyhedron for Efficient Overall Water Splitting

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 2610, DOI: 10.1021/jacs.7b12420

导师介绍

陈晨

http://www.x-mol.com/university/faculty/26700

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们的研究目的是通过设计具有不同纳米结构的过渡金属基电催化剂，结合高温煅烧、酸刻等手段稳定活性物种，抑制电催化反应过程中活性中心的团聚及失活，构建高效的电解水催化体系。目前，MOF及其衍生物具有大比表面积，已广泛应用于电催化领域，并表现出优异的电催化活性。由于沸石咪唑骨架材料ZIF-8在高温下具有Zn挥发的特点，并且Co基沸石咪唑骨架材料ZIF-67具有与ZIF-8类似的拓扑结构，因此两者可以外延生长形成核壳结构ZIF-8@ZIF-67。高温煅烧发现，Zn的挥发不仅抑制了Co纳米粒子的团聚，同时促进了Co催化碳纳米管的形成，进一步提高了传质。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战是如何调控ZIF-67在ZIF-8晶种表面的外延生长，并且控制合成工艺将ZIF-8@ZIF-67前驱体氧化磷化，并使之具有优异的电催化活性。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该工作对今后如何设计出高效、稳定并且具有新颖结构的过渡金属磷化物/碳基催化剂具有重要的意义，从而促进金属磷化物基催化剂走向能源相关的催化应用，如电解水、金属空气电池以及氢化脱硫、脱氮等领域。