CoFe-MOF/NF双金属协同电催化剂实现工业级高电流密度析氧反应

本研究针对工业级析氧反应(OER)对高效稳定电催化剂的迫切需求，通过硫配体工程与双金属协同策略，构建了具有表面重构特性的CoFe-MOF/NF催化剂。该材料在1.0 M KOH中实现336 mV@1000 mA cm-2的超低过电位，并保持100小时稳定性。DFT证实Fe调控Co的d带中心位置，优化*OH脱附能垒，为工业电解水技术提供新方案。

　　

随着全球能源转型加速，电解水制氢技术因其零碳排放特性成为研究热点。其中析氧反应(OER)作为水分解的决速步骤，需要克服四电子转移的复杂能垒。尽管贵金属RuO₂/IrO₂表现优异，但其高昂成本阻碍规模化应用。金属有机框架(MOF)材料凭借可设计的活性位点和孔隙结构被视为理想替代品，但传统单金属MOF面临电子传导性差、工业级电流密度下稳定性不足等挑战。

河南理工大学冯勋团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，创新性地采用含硫配体2,5-噻吩二甲酸(TDC)构建CoFe双金属MOF。通过同步辐射、原位光谱等技术证实，Fe的引入诱导Co位点d带中心向费米能级移动，而硫原子通过p-π共轭形成离域电子云。这种分子尺度的电子调控与介观尺度双金属协同，使材料在1000 mA cm^-2工业电流密度下仅需336 mV过电位，且持续运行100小时未衰减。

关键技术包括：1) 溶剂热法在泡沫镍(NF)上原位生长CoFe-MOF纳米带；2) 同步辐射X射线吸收精细结构(XAFS)解析Fe-Co配位环境；3) 密度泛函理论(DFT)计算d带中心位移与反应能垒；4) 电化学原位拉曼追踪表面重构为活性(氧)氢氧化物物种的过程。

【Results and discussion】
晶体结构分析显示Fe掺杂未破坏MOF框架，但使Co-O键长缩短0.12 ?。X射线光电子能谱(XPS)证实Fe³⁺通过S→Fe电子反馈稳定高价态Co。电化学测试中，CoFe-MOF/NF在10 mA cm^-2的过电位仅241 mV，Tafel斜率低至38.9 mV dec^-1。原位表征发现运行后表面重构形成CoOOH/FeOOH活性层，其氧空位浓度较原始材料提升3倍。

【Conclusion】
DFT计算揭示Fe将Co的d带中心下移0.35 eV，使*OOH吸附自由能降低1.2 eV。这种双金属协同使速率控制步骤能垒从2.07 eV降至1.85 eV。硫配体则通过增强电子离域度，将电荷转移电阻从原始Co-MOF的6.8 Ω降至1.3 Ω。

该研究突破传统MOF催化剂在工业电流密度下的性能瓶颈，提出的"配体工程-双金属协同-表面重构"三级优化策略，为设计高效能源转换材料提供新范式。特别值得注意的是，材料在强碱性条件下的耐久性超越现有报道的大多数非贵金属催化剂，展现出实际应用潜力。