Metal–Organic Frameworks with Assembled Bifunctional Microreactor for Charge Modulation and Strain Generation toward Enhanced Oxygen Electrocatalysis

析氧 塔菲尔方程 过电位 双功能 电催化剂 催化作用 微型反应器 化学工程 材料科学 化学 光化学 物理化学 电化学 电极 有机化学 工程类
作者
Fan He,Yingjie Zhao,Xiaoxuan Yang,Sixing Zheng,Bin Yang,Zhongjian Li,Yongbo Kuang,Qinghua Zhang,Lecheng Lei,Ming Qiu,Liming Dai,Yang Hou
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (6): 9523-9534 被引量:104
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c02685
摘要

Two-dimensional metal–organic frameworks (MOFs) have served as favorable prototypes for electrocatalytic oxygen evolution reaction (OER). Despite promising catalytic activity, their OER reaction kinetics are still limited by the sluggish four-electron transfer process. Herein, we develop a ferrocene carboxylic acid (FcCA) partially substituted cobalt-terephthalic acid (CoBDC) catalyst with a bifunctional microreactor composed of two species of Co active sites and ligand FcCA (CoBDC FcCA). Benefiting from the ultrathin nanosheet structure, CoBDC FcCA catalyst exhibits an excellent OER performance with a low overpotential of 280 mV to reach 10 mA cm–2 and a small Tafel slope of 53 mV dec–1. Structure characterization together with theoretical calculations directly unravel the coordination for two species of Co active moieties with FcCA forming a microreactor of tensile strain, leading to a conversion of the Co spin from a high spin state (t2g5eg2) to an intermediate spin state (t2g6eg1) to regulate antibonding states of Co 3d and O 2p orbital. In situ spectroscopic measurements for mechanistic understanding reveal that this CoBDC FcCA catalyst possesses an optimal OH* adsorption energy for propitious formation of O–O bonds in the OOH* intermediate, thus effectively decreasing the thermodynamic Gibbs free energy of the rate-determining step (O* → OOH*) to accelerate reaction kinetics for the whole OER process. When loaded on an integrated BiVO4 photoanode as a cocatalyst, CoBDC FcCA enables highly active solar-driven oxygen production from water splitting.
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