Lattice Strain Induced by Linker Scission in Metal–Organic Framework Nanosheets for Oxygen Evolution Reaction

过电位 析氧 催化作用 金属有机骨架 材料科学 电化学 键裂 纳米笼 化学 化学工程 光化学 物理化学 电极 有机化学 工程类 吸附
作者
Qianqian Ji,Yuan Kong,Chao Wang,Hao Tan,Hengli Duan,Wei Hu,Guinan Li,Ying Lü,Na Li,Yao Wang,Jie Tian,Zeming Qi,Zhihu Sun,Fengchun Hu,Wensheng Yan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (10): 5691-5697 被引量:191
标识
DOI:10.1021/acscatal.0c00989
摘要

For electrochemical energy conversion, highly efficient and inexpensive electrocatalysts are required, which are principally designed and synthesized by virtue of structural regulations. Herein, we propose a rational linker scission approach to induce lattice strain in metal–organic framework (MOF) catalysts by partially replacing multicoordinating linkers with nonbridging ligands. Strained NiFe-MOFs with 6% lattice expansion exhibit a superior catalytic performance for the oxygen evolution reaction (OER) under alkaline conditions; the overpotential is reduced to 230 mV (86.6 mV dec–1) from 320 mV (164.9 mV dec–1) for the unstrained NiFe-MOFs at a current density of 10 mA cm–2. Operando studies by using synchrotron radiation X-ray absorption and infrared spectroscopy identified the emergence of a key *OOH intermediate on Ni3+/4+ sites during OER, providing strong evidence that the Ni3+/4+ sites are the active sites and the formation of *OOH is the rate-limiting step. The first-principles calculations were performed to reveal the strain-induced electronic structure changes of the NiFe-MOFs and the Gibbs free energy profile during OER. It is found that the optimized Ni 3d eg-orbital facilitates the formation of *OOH, thus enhancing the OER performance of the strained MOFs.
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