双配体策略构建低成本双金属MOF电催化剂实现高效析氧与析氢反应协同催化

本研究针对电解水制氢过程中析氧反应(OER)和析氢反应(HER)催化剂成本高、效率低的瓶颈问题，通过双配体策略设计合成NiCo-BTC-Me双金属有机框架(MOF)催化剂。该催化剂在碱性条件下表现出卓越的双功能催化性能，OER过电位仅300 mV@25 mA/cm2 ，HER过电位238 mV@10 mA/cm2 ，且稳定性达24小时，为开发高效非贵金属电解水催化剂提供了新思路。

　　

电解水制氢技术被视为实现清洁能源转型的关键路径，但受限于析氧反应(OER)四电子转移过程的动力学迟滞，以及贵金属催化剂的高成本，其大规模应用面临挑战。传统过渡金属催化剂虽成本较低，但活性与稳定性往往难以兼顾。金属有机框架(MOF)材料因其可调控的孔隙结构和活性位点成为研究热点，但单一金属MOF的导电性和催化活性仍有提升空间。

针对这一科学难题，来自Sri Sivasubramaniya Nadar工程学院和Sarah Tucker学院的研究团队创新性地提出双配体策略，通过溶热法一步合成镍钴双金属MOF催化剂NiCo-BTC-Me。该研究巧妙引入三聚氰胺作为第二有机配体，与1,3,5-苯三甲酸(H₃
BTC)共同构建混合配体体系，显著提升了催化剂的固有活性。实验表明，这种双金属协同效应使材料在碱性电解液中同时具备优异的OER和HER性能，相关成果发表在《Materials Science and Engineering: B》。

研究采用粉末X射线衍射(XRD)确认晶体结构，通过电化学工作站测试极化曲线和塔菲尔斜率，结合计时电位法评估稳定性。主要技术路径包括：1) 优化Ni/Co摩尔比的溶热合成；2) 双配体协同调控电子结构；3) 三电极体系测试全pH范围催化性能；4) 50 mA/cm²
高电流密度下的长期稳定性验证。

【Results and discussion】
XRD分析显示NiCo-BTC-Me在2θ=10.1°、11.8°、13.4°等处出现新衍射峰，证实成功构建双金属MOF晶格。电化学测试揭示其OER过电位比单金属MOF降低120 mV，Tafel斜率103.3 mV/dec表明速率决定步骤为*OOH中间体形成。HER性能更突出，238 mV过电位接近商业Pt/C催化剂，97.4 mV/dec的Tafel斜率显示Volmer-Heyrovsky机制主导。值得注意的是，在50 mA/cm²
OER和10 mA/cm²
HER电流密度下持续24小时测试后，电位衰减不足3%，证明结构稳定性卓越。

【Conclusion】
该研究证实双配体策略能有效调控双金属MOF的电子结构，三聚氰胺的引入增强了金属中心与反应中间体的吸附能，而Ni-Co协同作用优化了d带中心位置。这种"一石二鸟"的设计使单一催化剂同时满足OER和HER需求，其性能指标超越多数报道的非贵金属催化剂。

【重要意义】

1. 为双功能电催化剂设计提供配体工程新范式；2) 证实混合配体可打破传统火山图限制；3) 溶热法工艺简单，利于规模化生产；4) 催化剂在强碱性条件下稳定性突出，具备实际应用潜力。Pavithra Suresh等研究者通过原子级精准调控，为可再生能源存储技术发展提供了重要材料基础。