Angew：用于高效析氧电催化的二维铁/钴金属有机框架的简易合成

近年来，非贵金属尤其是过渡金属（镍、钴、铁等化合物），由于在自然界中储量丰富、成本低等优点，已被广泛用于光电催化领域。由过渡金属离子和有机配体组装形成的金属-有机框架（MOFs）具有明确的多孔结构和极大的比表面积，由有机框架支撑和保护的金属离子可以确保催化过程中的长期稳定性。然而，传统的块状MOFs具有传质阻力大、导电性差、活性金属中心易被有机配体堵塞等问题，阻碍了它们在光电催化中的应用。与块状MOFs相比，超薄二维金属有机纳米片（2D MOFs）由于原子级厚度而具有传质速度快、导电性好的特点，其极高的暴露面积促进了与反应底物的相互作用，丰富、可调的不饱和金属位点、独特的表面原子结构和键合方式，使其在光、电催化领域具有巨大的应用前景，受到了科学家们的广泛关注。

河北工业大学杨永芳教授、潘明旺教授、张玥副教授和美国凯斯西储大学Lei Zhu教授合作在Angewandte Chemie International Edition (影响因子：12.959) 上发表研究工作，报道了室温下在三乙胺和水均存在的条件下，通过简单搅拌Fe/Co盐和1,4-苯二甲酸（1,4-BDC）的反应混合物，可以轻松合成二维（2D）双金属（Fe/Co=1：2）金属有机骨架（MOF，〜2.2 nm厚）。通过研究反应体系中各组分的作用，揭示了2D MOF的生成机理，并发现这些2D MOF-Fe/Co(1:2)在碱性条件下对析氧反应（OER）表现出优异的电催化活性。通过实验结果和密度泛函理论计算，揭示了其电催化机理。2D形貌和铁/钴共掺杂MOF协同促进了2D MOF-Fe/Co(1:2)优异的OER性能。该合成方法简单高效，成本低，收率高，适合功能性2D MOFs的规模化生产，拟将推动2D MOFs的商业化进程。该论文第一作者为河北工业大学三年级博士研究生葛凯。

该工作在DMF/乙醇/三乙胺/水的混合溶剂中，通过在室温下直接搅拌金属离子（Co²⁺和Fe³⁺）和1,4-BDC的溶液制备了厚度仅为2.2 nm的二维双金属MOF-Fe/Co纳米片，提供了一种基于溶剂调控策略大规模制备2D MOFs纳米片的简单合成方法。2D MOF纳米片在碱性溶液中具有优异的OER电催化活性，对应10 mA/cm²的过电位为238 mV，远低于块体MOF (427 mV) 和3D MOF (311 mV)；其C_dl值为66.9 mF/cm²，远大于块体MOF (0.76 mF/cm²) 和3D MOF (9.86 mF/cm²)。由于2D MOF-Fe/Co(1:2)纳米片在电催化过程中转化为稳定的Co-O和Fe-O结构，材料在50000 s耐久性试验显示了稳定的OER电催化活性。密度泛函理论计算表明，在2D MOF-Co中引入Fe原子可以改变Co的电子态，从而降低了OER反应中关键步骤的自由能，提高了催化活性。该研究为大规模高产率生产2D MOF-Fe/Co纳米片提供了一种简单的方法，将促进2D MOF-Fe/Co纳米片材料的商业化。

该文报道了一种无需高温、高压、超声及其它外场辅助方式，仅在室温搅拌且无表面活性剂的条件下，即可高效、宏量制备2D MOFs纳米片的简便方法，揭示了混合溶剂中水和三乙胺在2D MOFs生成过程中的作用。该简便方法的提出将推动性能优异的2D MOF-Fe/Co纳米片的商业化进程。通过此法合成的2D MOFs具有优异的电催化OER性能，拟替代价格昂贵的商用氧化钌电催化剂，在电催化、能源转化领域将展示出极大的应用前景。

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Facile Synthesis of Two‐Dimensional Fe/Co Metal‐Organic Framework for Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysis

Kai Ge, Shujuan Sun, Yi Zhao, Kai Yang, Shuang Wang, Zhiheng Zhang, Jiayu Cao, Yongfang Yang, Yue Zhang, Mingwang Pan, Lei Zhu

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202102632

导师介绍

杨永芳

https://www.x-mol.com/university/faculty/19992 

潘明旺

https://www.x-mol.com/university/faculty/20006 

Lei Zhu

https://www.x-mol.com/university/faculty/49617