Tunable metal hydroxide–organic frameworks for catalysing oxygen evolution

催化作用 过电位 氢氧化物 析氧 氧化物 过渡金属 金属 氧化还原 氧气 羧酸盐 材料科学 金属氢氧化物 无机化学 化学 组合化学 化学工程 物理化学 有机化学 电化学 工程类 电极
作者
Shuai Yuan,Jiayu Peng,Bin Cai,Zhehao Huang,Angel T. Garcia‐Esparza,Dimosthenis Sokaras,Yirui Zhang,Livia Giordano,Karthik Akkiraju,Yun Zhu,René Hübner,Xiaodong Zou,Yuriy Román‐Leshkov,Yang Shao‐Horn
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:21 (6): 673-680 被引量:316
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01199-0
摘要

The oxygen evolution reaction is central to making chemicals and energy carriers using electrons. Combining the great tunability of enzymatic systems with known oxide-based catalysts can create breakthrough opportunities to achieve both high activity and stability. Here we report a series of metal hydroxide–organic frameworks (MHOFs) synthesized by transforming layered hydroxides into two-dimensional sheets crosslinked using aromatic carboxylate linkers. MHOFs act as a tunable catalytic platform for the oxygen evolution reaction, where the π–π interactions between adjacent stacked linkers dictate stability, while the nature of transition metals in the hydroxides modulates catalytic activity. Substituting Ni-based MHOFs with acidic cations or electron-withdrawing linkers enhances oxygen evolution reaction activity by over three orders of magnitude per metal site, with Fe substitution achieving a mass activity of 80 A $${\rm{g}}_{\rm{catalyst}}^{-1}$$ at 0.3 V overpotential for 20 h. Density functional theory calculations correlate the enhanced oxygen evolution reaction activity with the MHOF-based modulation of Ni redox and the optimized binding of oxygenated intermediates. The oxygen evolution reaction is central to making chemicals and energy carriers using electrons. Metal hydroxide–organic frameworks are shown to act as a tunable catalytic platform for oxygen evolution, with π–π interactions dictating stability and transition metals modulating activity.
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