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浙大侯阳Nature子刊:三元仿酶活性区构筑加速水活化并稳定MOF实现安培级产氢

碱性电解水制备高纯氢已被认为是最清洁且最有前景的制氢工艺之一。尽管用于取代贵金属Pt的催化材料已经被大量开发,但是这些催化材料在工业级电流密度下(>1.0 A cm-2)的催化活性和稳定性仍然无法令人满意。on>


近年来,金属有机框架MOF)材料由于其具有分散良好的金属/簇节点与可调谐的周期性多孔晶体结构的优势,已经被认为是最有潜力的电解水析氢反应(HER)催化材料之一。
为了提高其催化稳定性和导电性,MOF材料通常被用作牺牲模板,经过热解处理得到纳米碳基电催化剂。然而,高温热解处理过程往往会造成严重的结构破坏和金属团聚,无法充分利用MOF的本征结构。因此,对于具有饱和对称金属位点的MOF材料来说,设计打破MOF金属中心的空间对称结构,有利于加速碱性HER的水活化动力学,从而提高整体HER活性。
近日,浙江大学侯阳研究员、华中师范大学邱明副教授和澳大利亚新南威尔士大学戴黎明教授在MOF基材料电催化碱性析氢反应研究中取得了重要进展。
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受到自然界中[FeFe]-氢化酶结构的启发,采用一步水热原位生长策略构建了一种硫掺杂的金属镍基MOF纳米片阵列电极(S-NiBDC),结构解析结果表明在该镍基金属框架中形成了一种独特的三元仿生活性区域(Ni2-S1)。
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电催化碱性析氢反应性能表明,相对于镍基金属有机框架(NiBDC)和商业Pt/C材料,S-NiBDC材料表现出更加优异的电解水析氢活性。


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其电催化HER反应仅需310 mV的过电势即可达到1.0 A cm-2的电流密度,并且电流可以进一步提高到3.5 A cm-2,同时具有较低的Tafel斜率(75 mv dec-1),同时,S-NiBDC材料在1.0 A cm-2的电流密度下HER稳定性高达150 h,其性能优越于大部分先前报道的MOF基析氢电催化材料。
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进一步实验结合理论计算结果表明,S物种的引入能够增强MOF材料的稳定性,同时引入的S物种与中心Ni原子形成Ni2-S1三元仿生活性区域,位于三角中心“Ni2-S1”的Ni位点显著加快了HER反应中的水活化动力学,S位点容易捕获H原子作为最佳的析氢活性位点,最终提高了整体的电催化HER活性和稳定性。
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该研究工作不仅对碱性电解水析氢反应指明了新的方向,还对制备MOF基电催化纳米材料具有一定的指导作用,相关工作已发表于Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-022-34278-6)上。论文的第一作者为浙江大学博士生程帆鹏。




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