采用一锅法制备FeNi-BTC金属有机框架（MOFs），作为高效的氧演化反应电催化剂

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：One pot fabrication of FeNi-BTC MOFs as effective electrocatalysts for oxygen evolution reaction

双金属MOF催化剂FeNi 1:3在碱性电解质中表现出优异的氧析出活性，过电位232 mV，塔菲尔斜率30.2 mV dec?1，高比表面积176.25 cm2，归因于协同效应和均匀岩状形貌。

　　随着全球能源需求的不断上升，化石燃料的消耗速度也变得越来越快。这种趋势不仅加剧了能源危机，也对环境造成了严重影响。因此，寻找一种可持续的替代能源来源成为迫切需求，而氢气因其清洁性和高能量密度，被视为最有前景的选项之一。在众多制氢方法中，电化学水分解技术因其高效性和环境友好性而受到广泛关注。电化学水分解主要包括两个半反应：在阳极发生的氧析出反应（OER）和在阴极发生的氢析出反应（HER）。然而，OER的反应动力学缓慢，特别是其四电子转移机制，限制了整体水分解效率，使其成为研究的重点。

为了克服这一瓶颈，科学家们致力于开发高效、稳定且成本低廉的OER催化剂。在这一背景下，金属有机框架（MOFs）因其独特的结构特性、高比表面积和可调控的金属中心，成为研究的热点。MOFs具有高度有序的多孔结构，能够提供大量的活性位点，同时其可设计性使得其在催化反应中表现出优异的性能。特别是，通过调整金属组分的比例，可以进一步优化MOFs的电化学性能，使其更适用于水分解反应。

本研究中，采用溶剂热法合成了不同Fe和Ni摩尔比（1:0, 1:1, 1:3, 0:1）的双金属MOFs材料。通过系统的电化学性能测试，发现Fe和Ni以1:3比例合成的MOFs（FeNi 1:3）在OER中表现出最佳的催化活性。其起始电位为1.44 V（相对于RHE），仅需232 mV的过电位即可达到10 mA cm?2的电流密度。此外，该催化剂的塔菲尔斜率仅为30.2 mV dec?1，表明其具有良好的反应动力学和优异的电化学性能。其高电化学活性表面积（176.25 cm2）和较高的周转频率（2.80 s?1）进一步验证了其在OER中的高效性。

FeNi 1:3 MOFs表现出优异的催化性能，主要归因于以下几个方面。首先，其丰富的电活性位点使得反应物能够更有效地吸附和活化。其次，其在电极-电解液界面表现出较低的电荷转移阻抗，这有助于提高电子传输效率。此外，该催化剂具有独特的岩状结构，使得其在电化学反应中具有较高的稳定性。最后，Fe和Ni之间的协同作用在1:3比例下尤为显著，这种相互作用不仅提高了材料的导电性，还增强了其在高氧化态下的稳定性，从而提升了整体的催化活性。

在当前的研究中，FeNi MOFs的合成采用了单一步骤的溶剂热法，并结合了三苯基乙酸（BTC）作为连接体。BTC MOFs具有三个羧酸盐基团，能够形成协调不饱和的金属中心，这些中心在催化反应中起到了关键作用。此外，引入缺陷能够进一步优化FeNi-BTC MOFs的电化学性能，使得Fe(III)和Ni(II)之间的协同效应更加明显。这种协同作用不仅促进了反应物的吸附和活化，还增强了电子的转移能力，从而提升了催化剂的整体性能。

FeNi-BTC MOFs的合成过程简单且成本低廉，使其在实际应用中具有较高的可行性。同时，该材料的结构特性可以通过多种表征手段进行验证，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和傅里变换红外光谱（FTIR）。这些表征结果不仅确认了FeNi-BTC MOFs的结构，还揭示了其在电化学反应中的性能优势。XRD结果表明，该材料的结构与Fe MIL 88b MOF相匹配，而EDX进一步验证了Fe和Ni的含量与实验所用的量一致。SEM图像则显示了所有样品的岩状形貌，这表明其在电化学反应中具有良好的稳定性。

此外，本研究还探讨了FeNi MOFs在不同电化学条件下的表现。结果显示，FeNi-BTC MOFs在碱性环境中表现出优异的OER活性，其起始电位和过电位均低于许多其他催化剂。这表明该材料在实际应用中具有较大的潜力。同时，其高电化学活性表面积和良好的导电性也进一步支持了其在电化学水分解中的应用前景。

在研究过程中，除了合成和表征FeNi MOFs，还对其他相关材料进行了对比分析。例如，一些研究者已经尝试通过将MOFs与高导电性材料（如石墨烯）结合来提高其催化性能。然而，这种方法往往需要复杂的后处理步骤，如精确控制热解条件、材料结构的不均匀性以及可能堵塞MOFs的微孔，从而影响电子传输效率。相比之下，FeNi-BTC MOFs的合成过程更为简便，且无需复杂的后处理，这使得其在实际应用中更具优势。

此外，本研究还关注了FeNi MOFs在不同应用场景下的表现。例如，在某些研究中，FeNi MOFs被用于水氧化反应和硝基芳烃还原反应，这些研究结果表明，FeNi MOFs在多种反应中均表现出良好的性能。然而，其在某些反应中的表现仍需进一步优化，特别是在提高导电性和稳定性方面。因此，未来的研究方向可能包括开发更高效的FeNi MOFs材料，以及探索其在更广泛的应用场景中的潜力。

总体而言，FeNi-BTC MOFs在OER中表现出优异的性能，这为其在可持续能源领域的应用提供了重要的理论基础和实践指导。通过调整Fe和Ni的比例，可以进一步优化其催化性能，使其在实际应用中更加高效和稳定。同时，其独特的结构和合成方法也为其在未来的材料设计和应用拓展提供了新的思路。这些研究结果不仅有助于推动电化学水分解技术的发展，也为实现清洁能源的可持续利用提供了新的可能性。