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> 【Co-MOF材料】通过配位溶剂变化增强电催化析氧反应
【Co-MOF材料】通过配位溶剂变化增强电催化析氧反应
摘要:
National Institute of Technology Calicut的Anjana Chanthapally等报道的本篇文章(
Cryst. Growth Des. 2024
)中报道了三种基于吡啶甲酸配体的钴(II)配位框架,通过溶剂热法合成,并研究了它们作为氧气进化反应(OER)电催化剂的潜力。这些框架在碱性条件下表现出显著的OER活性,其中化合物1在10 mA cm−2的电流密度下表现出0.37 V的过电位和78.9 mV的Tafel斜率,优于其他两种同构结构。研究表明,配位溶剂的变化对配位网络的电催化活性有显著影响,化合物1中配位的水分子在OER中起到了不可或缺的作用。本研究强调了配位环境在催化活性中的重要性,并为设计无贵金属的先进电催化剂提供了模板。
研究背景:
1) 氧气进化反应(OER)是金属-空气电池和水分解设备中的关键电化学氧化还原反应。目前,OER的能垒较高,需要设计高效的电催化剂以降低能量消耗。
2) 已有研究通过使用贵金属氧化物(如IrO2和RuO2)作为OER催化剂,但因成本和耐久性问题限制了广泛应用。也有研究通过在MOFs中引入3d过渡金属(Co、Fe、Ni)来提高OER效率。
3) 作者通过改变钴基MOFs中配位溶剂的种类,研究了配位环境对OER活性的影响。特别是,通过引入配位水分子,显著提高了OER性能,为设计新型高效电催化剂提供了新思路。
实验部分:
1. 合成钴基配位框架
- 操作步骤:
1)对于化合物1的合成,将硝酸钴六水合物(45 mg,0.01 mmol)溶解在1 mL水中,4-吡啶甲酸(50 mg,0.02 mmol)溶解在4 mL DMF中,然后将两溶液混合并在120°C下进行溶剂热反应,缓慢冷却后得到粉红色片状晶体。
2)对于化合物2的合成,将硝酸钴六水合物(90 mg,0.02 mmol)和4-吡啶甲酸(100 mg,0.04 mmol)分散在10 mL乙醇中,加入三乙胺作为碱,然后在145°C下进行溶剂热反应,缓慢冷却后得到红色小方块状晶体。
3)对于化合物3的合成,将高氯酸钴六水合物(90 mg,0.01 mmol)和4-吡啶甲酸(100 mg,0.03 mmol)分散在5 mL DMA中,然后在130°C下进行溶剂热反应,缓慢冷却后得到红色小方块状晶体。
4)所有合成后的晶体用相应的溶剂洗涤并晾干,计算产率。
2. 结构表征
- 操作步骤:
1)使用Elementar Vario EL III进行元素分析。
2)使用SDT 2960热分析仪在氮气氛围下进行热重分析(TGA),加热速率为5°C/min。
3)使用PANalytical X'Pert3粉末X射线衍射仪记录PXRD图谱。
4)使用Bruker APEX衍射仪收集单晶X射线衍射数据,并使用SHELXTL软件进行结构解析。
3. 电化学性能测试
- 操作步骤:
1)使用Autolab M204和Metrohm AG旋转圆盘电极(RDE)进行所有电化学测量,使用1 M KOH作为电解液。
1)所有工作电极在测量前进行彻底的机械和电化学清洁,电解液用99.6%纯氮气饱和。
2)将催化剂墨水(催化剂与去离子水比例为1:1)滴铸在RDE上,室温下干燥。
3)测量电位调整为可逆氢电极,旋转速度统一为1600 rpm。
4)计算催化剂的过电位,并进行电化学阻抗谱(EIS)测试。
分析测试:
1. 元素分析
- 测试结果:
- 化合物1:计算得C 39.45%,H 4.92%,N 10.52%;实测得C 39.05%,H 5.82%,N 10.33%。
- 化合物2:计算得C 43.08%,H 5.22%,N 6.98%;实测得C 43.05%,H 5.82%,N 6.33%。
- 化合物3:计算得C 38.11%,H 4.75%,N 8.89%;实测得C 38.55%,H 4.82%,N 8.53%。
2. 热重分析(TGA)
- 测试结果:
- 所有MOFs在300°C以下稳定,TGA确认了结构中溶剂分子的存在。
3. 粉末X射线衍射(PXRD)
- 测试结果:
- 所有样品的PXRD图谱与模拟图谱匹配,证实了合成样品的结构。
4. X射线光电子能谱(XPS)
- 测试结果:
- Co 2p峰位于781和796 eV,卫星峰位于785.9和802.46 eV,确认了Co2+的存在。
- C 1s峰分解为5个峰,表明了不同化学环境中碳的存在。
- N 1s和O 1s数据揭示了金属-氮、吡啶氮、硝酸根氮以及金属-氧、羧基氧和吸附水的存在。
5. 电化学性能测试
- 测试结果:
- 化合物1在10 mA cm−2的电流密度下表现出0.37 V的过电位和78.9 mV的Tafel斜率。
- EIS测试显示化合物1具有最小的电荷转移电阻(35.91 Ω),优于其他两种同构结构。
总结:
本文成功合成了三种钴基配位框架,并研究了它们作为OER电催化剂的性能。研究发现,配位溶剂的变化对电催化活性有显著影响,尤其是配位水分子的存在,显著提高了OER性能。化合物1因其优异的OER活性和较低的过电位,被认为是一种有潜力的无贵金属电催化剂。本研究为设计新型高效电催化剂提供了新的思路,并强调了配位环境在电催化活性中的重要性。
展望:
本研究为钴基MOFs在OER中的应用提供了新的视角,未来的研究可以进一步探索不同配位环境对电催化性能的影响,以及这些材料在实际能源转换设备中的应用潜力。此外,还可以研究通过改变配体或金属中心来优化电催化性能,以及这些材料在长期运行中的稳定性和耐久性。
Isomorphous Cobalt Coordination Frameworks: Enhancing Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction through Coordinated Solvent Variations
文章作者:
Anjana Chanthapally,* Anagha Yatheendran, and N. Sandhyarani
DOI:
10.1021/acs.cgd.4c00890
文章链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.cgd.4c00890
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