Synergistic Zn and Graphene Oxide Enable High-Entropy MOF-74 Nanorods for Multi-Anodic Electrocatalysis

材料科学 电催化剂 石墨烯 纳米棒 氧化物 纳米技术 锌 氧还原反应 纳米材料 量子点 化学工程 纳米颗粒 燃料电池 氧还原 氧化石墨
作者
Sonu Kumar,Hassan Rokni,Mukaddar Sk,Mahesh Kumar Ravva,Marek Piotrowski,Zhiming M. Wang,Udayabhaskararao Thumu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (17): 24349-24364 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.5c24359
摘要

While morphological control in metal–organic frameworks (MOFs) has been widely explored, the extension of this concept to compositional engineering and precise anisotropic growth in high-entropy systems has only recently emerged. Herein, we present the first synthesis of one-dimensional single-crystal HE-MOF-74 nanorods (comprising Co, Fe, Ni, Zn, and Mo) via a dual strategy, where zinc-directed anisotropic growth occurs exclusively on a graphene oxide support. In situ Raman spectroscopy combined with molecular probe electroanalysis and DFT analysis reveal two simultaneous catalytic pathways. (i) The oxophilic Mo promotes the adsorbate evolution mechanism (AEM) with Ni centers (Ni–Ni*-Mo), (ii) Zn enhances the covalency of the M–O bonds, specifically favoring Fe–O/Co–O covalency to activate the lattice-oxygen-mediated mechanism (Co/Fe–O*-Zn). This synergistic dual-pathway mechanism in the HE-MOF nanorod is directly responsible for the exceptional electrocatalytic performance, which includes an ultralow OER overpotential of 220 mV and remarkable stability sustained for 250 h at a high current density of 100 mA cm –2 . It also demonstrates superior performance for urea (UOR, 1.32 V at 10 mA cm –2 ), ethanol (EOR, 1.31 V at 10 mA cm –2 ), and methanol (MOR, 1.355 V at 10 mA cm –2 ) oxidation reactions, significantly outperforming its lower-entropy counterparts. This work demonstrates how Zn ions, supported by graphene oxide, play a crucial role in directing anisotropic growth in high-entropy systems, while simultaneously activating dual-mechanistic pathways to synergistically enhance multianodic reactions.
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