中国石油大学（华东）赵学波团队Adv. Funct. Mater.：双金属MOF-74为前驱体制备Co-Ni-P纳米管高效电解水催化剂

【背景介绍】

能源消费的快速增长和相应的环境问题加剧了对可再生能源和清洁能源的需求，氢能作为一种可再生的清洁能源受到越来越多的关注。电解水制氢被认为是目前最有前景的制氢技术之一。在电解水的过程中，电化学析氧反应（OER）和析氢反应（HER）作为其中的两个核心反应受到反应动力学的限制，均需要高效催化剂的参与加快反应的进行。现阶段，RuO₂和Pt催化剂仍然是OER和HER最高效的催化剂，但是受限于贵金属的储量及成本，制备具有高催化活性的非贵金属催化剂成为了该领域的研究热点。

【成果简介】

近日，Advanced Functional Materials在线发表了题为“金属-有机框架为前驱体制备Co-Ni-P纳米管高效电解水催化剂”(Metal-Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel–Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting)的研究论文，报道了一种通过金属-有机框架的可控生长制备Co-Ni-P纳米管高效电解水催化剂的最新研究成果。通过精确调节金属-有机框架前驱体中金属的原子比，控制金属有机框架材料晶体的生长，进而得到了具有不同形貌的双金属有机框架及其磷化材料。通过特定Co-Ni原子比的调节可以得到具有中空纳米管结构的Co-Ni-P复合材料，在碱性条件下具有优于贵金属催化剂Pt/C-RuO₂的催化性能。论文通讯作者为中国石油大学（华东）非常规油气与新能源研究院赵学波教授，第一作者为赵学波教授的博士研究生闫理停。

图文导读：

图1.Co4Ni1P纳米管的合成与表征

a)MOF-74-Co4Ni1和c)Co4Ni1P纳米管的SEM照片；

b)MOF-74-Co4Ni1和d)Co4Ni1P纳米管的TEM照片；

e) Co4Ni1P纳米管的XRD谱图；

f) Co4Ni1P纳米管的氮气吸附等温线。插图为Co4Ni1P纳米管的孔径分布；

g) Co4Ni1P纳米管的HRTEM图片；

h) Co4Ni1P纳米管的分层图像；

i) Co4Ni1P纳米管的元素mapping。

图2. CoxNiyP的电催化性能

a) CoxNiyP和RuO₂上OER的线性扫描伏安(LSV)曲线；

b) LSV对应的Tafel图；

c) 在过电位为300mV测得的电化学阻抗谱(EIS)；

d) 不同pH电解液中Co4Ni1P纳米管的OER、HER的j₁₀过电位及Tafel斜率；

e) 电容电流-扫描速率曲线；

f) Co4Ni1P纳米管在3000次循环前后的LSV(OER)；

g) Co4Ni1P纳米管在3000次循环前后的LSV(HER)；

h) Co4Ni1P纳米管的时间电流密度曲线(OER)；

i) Co4Ni1P纳米管的时间电流密度曲线(HER)。

图3. Co4Ni1P纳米管的全解水性能及稳定性

a) Co4Ni1P纳米管全解水性能；

b) Co4Ni1P纳米管全解水稳定性。

【总结&展望】

这项工作利用金属有机框架中不同金属与有机配体的配位作用，促使金属有机框架结构在特定晶面的生长，进而通过对金属有机框架材料优化后的结构的磷化作用，得到了具有中空纳米管结构的Co4Ni1P复合材料。这种简单的可控合成方法可以很容易的应用的其他金属有机框架材料的衍生材料中，如对碳材料、磷化材料、硫化材料的可控合成及在能源相关领域的应用，为金属有机框架材料的利用开辟了新的途径。

【通讯作者简介】

赵学波，中科院“百人计划“入选者， 山东省“泰山学者”特聘专家。1986年毕业于辽宁石油化工大学并留校任教。2000年出国留学，2005年获英国纽卡斯尔大学博士学位并留在该校继续从事研究工作。留英期间获“国家优秀自费留学生奖”和英国燃烧工程协会杰出研究成就奖“The Derek Ezra Award 2004”。2010年入选中国科学院“百人计划”，任中科院青岛生物能源与过程研究所研究员、“储氢及新型纳孔材料”团队负责人。2014年转入中国石油大学（华东）非常规油气与新能源研究院工作，任教授委员会主任、博士生导师、“新能源科学与技术研究中心”主任，2015年当选山东省“泰山学者特聘专家”。他负责的研究中心现在主要从事新型金属有机框架材料、新型碳材料的制备及其在气体分离与存储、新型电极材料、储能材料、石油加工催化材料等方面的应用研发工作。近年来，在Science、Nature-Chemistry、JACS、Angew、AFM、Nano Energy、CM、CC、JMC、Carbon、JPC、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际著名学术期刊发表100多篇研究论文, 被国内外同行引用4000多次，以第一作者发表在Science上的论文单篇引用1000多次。

【团队近期成果】

Liting Yan, Lei Cao, Pengcheng Dai, Xin Gu, Dandan Liu, Liangjun Li, Ying Wang, Xuebo Zhao*. Metal‐Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel–Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting. Advanced Functional Materials, 2017. DOI: 10.1002/adfm.201703455

BiaoXiao, Minli Zhang, Jun Yan, Guoping Luo, Ke Gao, Jiyan Liu, Qingliang You, Hong-Bo Wang, Chao Gao, Baofeng Zhao, Xuebo Zhao*, Hongbin Wu, Feng Liu. High efficiency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor. Nano Energy, 2017, 39: 478-488.

Liting Yan, Pengcheng Dai, Ying Wang, Xin Gu, Liangjun Li, Lei Cao, Xuebo Zhao*. In Situ Synthesis Strategy for Hierarchically Porous Ni2P Polyhedrons from MOFs Templates with Enhanced Electrochemical Properties for Hydrogen Evolution. ACS Applied Materials & Interfaces 9.13 (2017): 11642-11650.

Liangjun Li, Pengcheng Dai, Xin Gu, Ying Wang, Liting Yan, Xuebo Zhao*. High oxygen reduction activity on a metal–organic framework derived carbon combined with high degree of graphitization and pyridinic-N dopants. Journal of Materials Chemistry A 5.2 (2017): 789-795.

Xin Gu, Liangjun Li, Ying Wang, Pengcheng Dai, Hongbo Wang, Xuebo Zhao*. Hierarchical tubular structures constructed from rutile TiO₂ nanorods with superior sodium storage properties. Electrochimica Acta, 2016, 211: 77-82.

原文链接：Metal-Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel–Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703455）

材料人编辑整理。

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