钌基双金属纳米颗粒负载共价有机框架用于酸性介质电催化析氢反应的研究

《International Journal of Human-Computer Studies》：Ruthenium-based bimetallic nanoparticles loaded on covalent organic framework for electrocatalytic hydrogen evolution reaction in acidic media

本文报道了一种通过热解法合成聚酰亚胺基共价有机框架（COF）并负载钌基双金属纳米颗粒（RuM@COF, M=Fe, Co, Ni）的策略。所得RuFe@COF电催化剂在酸性析氢反应（HER）中表现出优异性能（过电位152 mV，塔菲尔斜率67.75 mV dec?1，稳定性3000圈），其优势源于COF框架的有序结构、富氮位点对纳米颗粒的锚定作用以及Ru-Fe双金属的协同电子调控效应，为高性能HER催化剂设计提供了新思路。

　　

亮点

材料

3,4,9,10-苝四甲酸二酐（98%）、三氯化钌三水合物（98%）、三聚氰胺（99%）、硼氢化钠（98%）、六水合三氯化铁（98%）、六水合氯化钴（99%）、六水合氯化镍（98%）和Nafion（5wt%）均由安耐吉化学和Adamas-beta?公司提供。

COF的合成

将三聚氰胺（1 mmol, 0.1844 g）和PTCDA（1.5 mmol, 0.5885 g）通过研磨（玛瑙研钵，30分钟）均匀混合。将混合物在瓷坩埚中煅烧（325 °C，4小时，空气氛围，升温速率5 °C/分钟），然后通过热蒸馏水洗涤、离心和干燥（60 °C）进行纯化。

结果与讨论

COF和RuM@COF复合材料的合成过程如图1所示。在典型合成中，首先将PTCDA和三聚氰胺在玛瑙研钵中研磨均匀。将混合物在瓷坩埚中煅烧（325 °C，4小时，5 °C/分钟，空气）得到COF。随后，通过机械化学研磨和化学还原将COF与双金属前驱体结合，制备出最终的RuM@COF复合材料（M = Fe, Co, Ni）。图2a–d展示了COF和RuM@COF复合材料的SEM图像。

结论

总之，我们通过热处理三聚氰胺和PTCDA单体成功构建了COF，并将其作为高效载体固定双金属（RuFe, RuCo, RuNi）纳米颗粒，用于电催化析氢反应。研究发现，与RuCo@COF和RuNi@COF相比，RuFe@COF表现出更优异的HER催化活性。奈奎斯特图表明，在酸性介质中电荷转移电阻明显降低，这源于Ru-Fe在COF基质中的协同作用。