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

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作者
Fan He,Yingjie Zhao,Xiaoxuan Yang,Sixing Zheng,Bin Yang,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:38
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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