Adv. Mater.中山大学 多孔CoFe2O4/C复合纳米棒阵列用于高效的电化学析氧

引言

近年来，低成本的过渡金属氧化物被证实在碱性条件下对电化学析氧具有良好的催化活性和稳定性。相比传统的单金属氧化物，多金属氧化物由于电子在不同价态间的跃迁，为电化学催化提供了必要的活性位点，从而具有了更高的电化学催化活性。但其自身导电性差的缺点限制了其进一步发展，相对于传统的炭导电层的简单包覆，金属有机框架（MOFs）的碳化衍生物能做到金属氧化物与炭材料的完美结合，因而被认为是构建高效的电化学催化剂重要的潜在前驱体。然而传统的合成方法（水热法等）得到的大多是MOFs的粉体材料，且碳化过程中往往伴随着严重的团聚问题。

成果简介

近期，中山大学化学院率先报道了一种聚苯胺辅助一步法热解双金属MOFs合成NF@NC-CoFe₂O₄/C纳米棒阵列的方法。该文章首先利用电化学沉积法在泡沫镍表面沉积一层聚苯胺，再通过水热法在其表面生长MOF-74-Co/Fe纳米棒阵列，最后通过氮气气氛下热解一步法得到CoFe₂O₄/C多孔的复合纳米棒阵列，避免了二次空气处理时碳材料的消耗及结构的破坏。泡沫镍表面沉积的聚苯胺对捕获过渡金属离子及诱导晶体生长取向起到了重要的作用。这种热解法得到的CoFe₂O₄/C纳米棒阵列具有很好的电化学析氧活性及良好的稳定性。该工作主要由卢雪峰博士研究生、廖培钦博士和李高仁教授完成。（文末有福利）

图文导读

合成示意图

通过电化学沉积法在泡沫镍（NF）表面沉积一层聚苯胺（PANI），然后通过水热法在其表面一步法生长MOF-74-Co/Fe纳米棒阵列，再通过氮气气氛下热解得到CoFe₂O₄/C多孔的复合纳米棒阵列。

图1 CoFe₂O₄/C的结构表征

（a）MOF-74-Co/Fe纳米棒的SEM图（插图：纳米棒放大的SEM图）；

（b）CoFe₂O₄/C纳米棒的SEM图（插图：纳米棒放大的SEM图）；

（c,d）CoFe₂O₄/C纳米棒低倍和高倍的TEM图；（e）CoFe₂O₄/C的HRTEM图；

（f）CoFe₂O₄/C的选区电子衍射图；（g）图e中蓝色区域HRTEM的线扫图；

（h-k）CoFe₂O₄/C的mapping图。

图2 CoFe₂O₄/C的谱图表征

（a）CoFe₂O₄/C（氮气中600℃热解）和CoFe₂O₄（空气中600℃热解）的BET图（插图：对应的孔隙度分布图）；

（b）CoFe₂O₄/C（氮气中600℃热解）和CoFe₂O₄（空气中600℃热解）的拉曼图；

（c）CoFe₂O₄/C的XRD图；

图3 CoFe₂O₄/C的光电子能谱图

（a）CoFe₂O₄/C（氮气中600℃热解）和CoFe₂O₄（空气中600℃热解）的全谱图；

（b, c）Co 2p的能谱图；（d, e）Fe 2p的能谱图；（f）O 1s的能谱图。

图4 OER催化活性

（a）OER线性扫描伏安曲线；（b）OER对应的塔菲尔曲线；（c）计时电势分析曲线；

（d）60小时电化学测试前后的OER线性扫描伏安曲线（插图：测试后CoFe₂O₄/C纳米棒阵列的SEM图）。

结语

文章报道了一种新的聚苯胺辅助一步法热解双金属MOF合成NF@NC-CoFe₂O₄/C纳米棒阵列的方法。这种简单的热解法得到的生长在三维泡沫镍上的CoFe₂O₄/C纳米棒阵列具有显著的电化学析氧活性及良好的稳定性。文章提出的由形貌可控的MOF合成多孔复合材料的思路为下一代电化学催化剂提供了新的方法。

文献链接：Bimetal-Organic Framework Derived CoFe2O4/C Porous Hybrid Nanorod Arrays as High-Performance Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reaction.  (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604437)

本文由厦门大学肖良平投稿，材料人网编辑整理，感谢李高仁老师校稿。

材料人网将尽可能的为广大读者推荐各专业方向及研究团队的经典作品，李高仁老师团队的经典文章如下，相关资源已由热心网上上传到材料人论坛和 材料人资源共享交流群 425218085：

1、Xue-Feng Lu, Lin-Fei Gu, Jia-Wei Wang, Jun-Xi Wu, Pei-Qin Liao* and Gao-Ren Li.*
Bimetal-organic framework derived CoFe2O4/C porous hybrid nanorod arrays as high-performance electrocatalysts for oxygen evolution reaction
Adv. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adma.201604437

2、Xue-Feng Lu, Pei-Qin Liao, Jia-Wei Wang, Jun-Xi Wu, Xun-Wei Chen, Chun-Ting He, Jie-Peng Zhang,* Gao-Ren Li,* Xiao-Ming Chen.
An alkaline-stable, metal-hydroxide mimicking metal-organic framework for efficient electrocatalytic oxygen evolution.
J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 8336-8339. DOI: 10.1021/jacs.6b03125

3、Jin-Xian Feng, Han Xu, Yu-Tao Dong, Sheng-Hua Ye, Ye-Xiang Tong, Gao-Ren Li.*
FeOOH/Co/FeOOH hybrid nanotube arrays as high-performance electrocatalysts for the oxygen evolution reaction.
Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3694-3698.  DOI: 10.1002/anie.201511447

4、Jin-Xian Feng, Sheng-Hua Ye, Han Xu, Ye-Xiang Tong, Gao-Ren Li*
Design and synthesis of FeOOH/CeO2 hetero-layered nanotubes for oxygen evolution reaction.
Adv. Mater. 2016, 28, 4698-4703. DOI: 10.1002/adma.201600054

5、Xue-Feng Lu, Zhi-Xiang Huang, Ye-Xiang Tong, Gao-Ren Li*
Asymmetric supercapacitors with high energy density based on helical hierarchical porous NaxMnO2 and MoO2.
Chem. Sci. 2016, 7, 510-517.DOI: 10.1039/C5SC03326H. DOI: 10.1039/C5SC03326H

6、An-Liang Wang, Xu-Jun He, Xue-Feng Lu, Han Xu, Ye-Xiang Tong, Gao-Ren Li.*
PdCo nanotube arrays supported on carbon fiber cloth as high-performance flexible electrocatalysts for ethanol oxidation.
Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3669-3673. DOI: 10.1002/anie.201410792

7、Jin-Xian Feng, Liang-Xin Ding, Sheng-Hua Ye, Xu-Jun He, Han Xu, Ye-Xiang Tong, Gao-Ren Li.*
Co(OH)2@PANI hybrid nanosheets with 3D networks as high-performance electrocatalysts for hydrogen evolution reaction.
Adv. Mater. 2015, 27, 7051-7057.DOI: 10.1002/adma.201503187

8、Han Xu, Liang-Xin Ding, Jin-Xian Feng, Gao-Ren Li.*
Pt/Ni(OH)2-NiOOH/Pd multi-walled hollow nanorod arrays as superior electrocatalysts for formic acid electrooxidation.
Chem. Sci. 2015, 6, 6991-6998.  DOI: 10.1039/C5SC02544C

9、An-Liang Wang, Han Xu, Jin-Xian Feng, Liang-Xin Ding, Ye-Xiang Tong, Gao-Ren Li.*
Design of Pd/PANI/Pd sandwich-structured nanotube array catalysts with special shape effects and synergistic effects for ethanol electrooxidation.
J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10703-10709.DOI:dx.doi.org/10.1021/nl301748m

10、Liang-Xin Ding, An-Liang Wang, Gao-Ren Li,* Zhao-Qing Liu, Wen-Xia Zhao, Cheng-Yong Su, Ye-Xiang Tong.
Porous Pt-Ni-P composite nanotube arrays: highly electroactive and durable catalysts for methanol electrooxidation.
J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5730-5733. DOI；dx.doi.org/10.1021/ja212206m

11、Qi Li, Zi-Long Wang, Gao-Ren Li,* Rui Guo, Liang-Xin Ding, and Ye-Xiang Tong.
Design and synthesis of MnO2/Mn/MnO2 sandwich-structured nanotube arrays with high supercapacitive performance for electrochemical energy-storage.
Nano Lett. 2012, 12, 3803-3807.

12、Yun-Bo He, Gao-Ren Li,* Zi-Long Wang, Cheng-Yong Su, Ye-Xiang Tong.
Single-crystal ZnO nanorod/amorphous and nanoporous metal oxide shell composites: controllable electrochemical synthesis and enhanced supercapacitor performances.
Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1288-1292. DOI: 10.1039/c0ee00669f

材料人网向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、团队访谈、实验技能等皆可投稿，请联系：邮箱tougao@cailiaoren.com 或 QQ：97482208。