Bimetallic Center Metal–Organic Framework Catalysts for the Two-Electron Oxygen Reduction Reaction

双金属片 催化作用 过渡金属 背景(考古学) 金属有机骨架 氧化还原 金属 合理设计 选择性 化学 纳米技术 材料科学 组合化学 无机化学 有机化学 电化学 物理化学 电极 古生物学 吸附 生物
作者
Yu Liu,Xuanzhi Wang,Xingyu Lu,Di Wang,Wenze Li,Yu Fu,Wei Qi
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (9): 10137-10143 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c00544
摘要

Addressing the critical scientific challenge of enhancing the catalytic efficiency of transition metal-based metal–organic framework (MOF) materials in the two-electron oxygen reduction reaction (2e– ORR) for the electrochemical synthesis of H2O2 is of paramount importance in a related field. In this context, we had developed an interface synthetic strategy for constructing a series of bimetallic Ni–M (M = Co, Fe, Cu) center MOFs. This approach capitalized on the strong synergy among metallic ions, effectively regulating the electronic structure and thereby improving the catalytic activity of Ni active sites. Notably, the proposed Ni–Co MOF catalyst demonstrated exceptional 2e– ORR activity, achieving a remarkable H2O2 selectivity of up to 96%. This performance significantly surpassed that of Ni–Fe (54%) and Ni–Cu (67%) MOFs, as well as many other reported transition metal catalysts. Detailed studies on the structure–function relationship at the atomic level unveiled that Ni species in a high oxidation state, effectively regulated and stabilized by adjacent Co2+ ions, played a pivotal role in ensuring the superior 2e– ORR activity of the Ni–Co MOF. These physical-chemical insights into the reaction mechanism and structure–function relationships offer valuable guidance for the rational design of highly efficient MOF-based catalysts and reaction systems for on-site electrochemical synthesis of H2O2 via a 2e– ORR process.
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