3D Ni and Co redox-active metal–organic frameworks based on ferrocenyl diphosphinate and 4,4′-bipyridine ligands as efficient electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction

化学 金属有机骨架 氧化还原 催化作用 组合化学 联吡啶 金属 材料科学 无机化学 有机化学 晶体结构 吸附
作者
Vera V. Khrizanforova,Ruslan P. Shekurov,Vasili A. Miluykov,Mikhail Khrizanforov,Volodymyr Bon,Stefan Kaskel,А.Т. Губайдуллин,Оleg G. Sinyashin,Yulia H. Budnikova
出处
期刊:Dalton Transactions [Royal Society of Chemistry]
卷期号:49 (9): 2794-2802 被引量:82
标识
DOI:10.1039/c9dt04834k
摘要

New 3D Ni and Co redox-active metal-organic frameworks based on ferrocenyl diphosphinate and 4,4'-bipyridine ligands have been synthesized, characterized by single crystal X-ray diffraction and spectroscopic techniques and explored as stable electrocatalysts capable of meeting two important parameters: the overpotential and Tafel slope (TS) in the hydrogen evolution reaction (HER). The electrochemical studies suggest that the reaction kinetics of a Ni-MOF (1) catalyst is more favorable than that of a Co-MOF (2) catalyst. Particularly, Ni-MOF exhibits better HER performance with an overpotential of 350 mV at a current density of 10 mA cm-2, a small TS of 60 mV dec-1 and superior long-term durability (of up to 10 000 cycles), ranking it among the most active non-noble metal-based molecular electrocatalysts. The introduction of a 4,4'-bpy linker in 2 significantly changes the catalytic properties in an organic or aqueous environment compared to 1D cobalt polymers based on ferrocenyl diphosphinate. For Co-MOF 2, there is a significant decrease in the overvoltage by ∼440 mV in comparison with the 1D Co polymer in an organic medium and by 50 mV in an aqueous medium. The TS changes from 120 to 65 mV dec-1 when moving from 1D CofcdHp to a 3D structure of 2. Thus, a 4,4'-bpy linker reduces the overvoltage and gives more favorable HER kinetics (lower TS). These results provide important guidelines for the rational design of non-precious metal electrocatalysts.
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