Lattice-strained metal–organic-framework arrays for bifunctional oxygen electrocatalysis

过电位 析氧 双功能 电催化剂 催化作用 材料科学 氧气 化学工程 化学 金属有机骨架 无机化学 金属 纳米技术 冶金 物理化学 电化学 电极 有机化学 吸附 工程类
作者
Weiren Cheng,Xu Zhao,Hui Su,Fumin Tang,Wei Che,Hui Zhang,Qinghua Liu
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:4 (2): 115-122 被引量:989
标识
DOI:10.1038/s41560-018-0308-8
摘要

Oxygen electrocatalysis is central to technologies such as fuel cells and electrolysers, but challenges remain due to the lack of effective earth-abundant electrocatalysts and insufficient understanding of catalytic mechanisms. Here we demonstrate that robust bifunctional oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) activity can be achieved by inducing lattice strain in noble-metal-free metal–organic frameworks (MOFs). Lattice-strained NiFe MOFs exhibit mass activities of 500 A gmetal−1 at a half-wave potential of 0.83 V for the ORR and 2,000 A gmetal−1 at an overpotential of 0.30 V for the OER, which are 50–100 times that of pristine NiFe metal–organic frameworks. The catalyst maintains ~97% of its initial activity after 200 h of continuous ORR/OER reaction at a high current density of 100–200 mA cm−2. Using operando synchrotron spectroscopies, we observed a key superoxide *OOH intermediate emerging on Ni4+ sites during both the ORR and OER processes, which suggests a four-electron mechanistic pathway. Metal–organic frameworks (MOFs) are increasingly being explored as electrocatalysts for the oxygen evolution and reduction reactions, which are important processes in electrolysers and fuel cells. Here, the authors increase the activity of MOFs for these reactions by introducing strain into the lattice using UV light illumination.
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