晶格应变NiFe-MOF材料的电催化性能和反应过程机理

　　氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）是燃料电池、金属-空气电池等电化学能量转换装置所涉及的一对可逆的电化学反应，缓慢的反应动力学与较低的反应可逆性是制约电池能量效率提升的关键科学问题，因此，亟需发展新型高效稳定的双功能电催化材料。中国科学技术大学国家同步辐射实验室的一个研究组对晶格应变NiFe-MOF电催化材料的性能和电催化机理进入了深入的研究，相关的研究成果发表在2019年1月14日的《Nature Energy》上。 

　　该研究组通过一种“光诱导晶格应变”的策略，可控地将晶格应力引入到过渡金属基金属有机框架（TM-MOF）材料晶格中（见图1），通过调控金属活性位点3d态的电子结构降低了电催化反应的能垒，获得了高效双功能氧电催化材料。晶格应变的镍铁基NiFe-MOF材料对ORR与OER的比质量活性分别为500 A gmetal^-1（电势为0.83 V）和2000 A gmetal-1（过电势为0.30 V），比未晶格应变的NiFe-MOF材料高2个量级。此外，晶格应变的NiFe-MOF材料在电极电势为0.85 V和1.45 V下分别进行ORR与OER稳定性测试，200小时后电流密度衰减仅为3%，表明晶格应变的NiFe-MOF材料具有优异的电化学稳定性。 

　　图1. 晶格应变NiFe-MOF材料的结构调控和性能表征，以及利用北京同步辐射装置（BSRF）的1W1B-XAFS实验站获得的晶格应变NiFe-MOF材料的局域原子结构。 

　　该研究组利用北京同步辐射装置1W1B-XAFS实验站获得了各种晶格应变NiFe-MOF材料的局域原子和电子结构（见图1），在此基础上对晶格应变NiFe-MOF催化剂的电催化氧反应过程进行深入研究，首次观察到在氧催化过程中，伴随着Ni活性中心价态的升高，氧反应关键中间产物*OOH出现并与Ni⁴⁺ 高价活性中心直接成键，揭示了晶格应变NiFe-MOF催化材料高效的4e-氧电催化反应机制。 

　　这个研究从原子水平上阐明了晶格应变NiFe-MOF材料高效能量传输和转化的微观机制。在这样研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组解开了该晶格应变MOF材料局域微观结构变化的面纱。中国科学技术大学国家同步辐射实验室副研究员刘庆华这样描述他们的工作：“通过这些微观局域结构测试结果进行反馈，指导优化材料合成条件，进一步提高和优化我们的材料性能和工作稳定性。在更亮的同步辐射光束线上建立时间分辨等探测技术将必定会有助于进一步研究燃料电池等能量转换装置的内在机制，为发展商业化能量转换体系提供技术支持”。 

　　发表文章： 

　　Weiren Cheng, Xu Zhao, Hui Su, Fumin Tang, Wei Che, Hui Zhang and Qinghua Liu*. Lattice-strained metal–organic-framework arrays for bifunctional oxygen electrocatalysis. Nature Energy, 4, 115–122 (2019).