2D nano-opsluitingsstrategie verbetert de prestaties van zuurstofevolutie

Prof. Zhang Tao’s groep aan het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) van de Chinese Academy of Sciences (CAS), in samenwerking met Prof. Hou Yang van Zhejiang University en Prof. Xiao Jianping van het Dalian Institute of Chemical Physics of CAS stelde een nieuwe tweedimensionale (2D) nano-opsluitingsstrategie voor om de zuurstofevolutiereactie (OER) -activiteit van laaggeleidende metaal-organische raamwerken (MOF’s) sterk te verbeteren. Resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

De ontwikkeling van hoogrenderende elektrokatalysatoren voor de elektrochemische omzetting van water om milieuvriendelijke en duurzame waterstofenergie op te wekken, trekt al decennia veel aandacht.

Ondanks de cruciale rol die de OER speelt bij het splitsen van water, vereist OER aan de anode een relatief hoog thermodynamisch potentieel om de kinetiek van de watersplitsing te versnellen. Dankzij het grote oppervlak, de afstembare porositeit, de diverse samenstellingen en de metaalcentra zijn MOF’s naar voren gekomen als veelbelovende kandidaten voor efficiënte OER-elektrokatalysatoren. De intrinsiek slechte geleidbaarheid van de meeste MOF’s belemmert echter hun katalytische activiteit ernstig.

Om dit probleem aan te pakken, hebben onderzoekers van NIMTE een elektrochemische strategie voorgesteld om MOF’s tussen grafeenmultilagen te beperken via het elektrochemische systeem met twee elektroden, waardoor slecht geleidende MOF’s sterk verbeterde katalytische prestaties krijgen.

De voorbereide NiFe-MOF//G vertoont een opmerkelijk lage overpotentiaal van 106 mV om 10 mA cm te bereiken^-2, overtreft de ongerepte NiFe-MOF evenals andere eerder gerapporteerde MOF’s en hun derivaten. Bovendien is de NiFe-MOF//G-elektrode zeer stabiel, die de prestaties meer dan 150 uur kan behouden bij 10 mA cm^-2 zonder duidelijk activiteitsverval.

Met name de resultaten van röntgenabsorptiespectroscopie-experimenten en dichtheidsfunctionele theorieberekeningen geven aan dat de nano-opsluiting van grafeen-multilagen de elektronische structuur en het katalysecentrum van MOF-materialen optimaliseert met de vorming van zeer reactief NiO₆-FeO₅ vervormde octaëdrische soorten in MOF-structuur. Bovendien verlaagt de nano-opsluiting het beperkende potentieel voor de oxidatiereactie van water.

De nano-opsluitingsstrategie kan worden toegepast op andere gevarieerde MOF’s met verschillende structuren, waardoor hun elektrokatalytische activiteiten aanzienlijk worden verbeterd. Ondertussen daagt dit werk de algemene opvatting van ongerepte MOF’s als inerte katalysatoren uit en onthult het grote toepassingspotentieel van slecht geleidende of zelfs isolerende MOF’s in elektrokatalyse-toepassingen.