在全球向低碳和可再生能源转型的背景下,开发高效、经济且具有长期稳定性的电催化剂对于关键能源转换过程(如水分解 (HER/OER) 和氧还原反应 (ORR))至关重要。尽管贵金属催化剂(例如 Pt、Ir/Ru 基材料)可以提供卓越的催化活性,但其高昂的成本和有限的可用性对大规模实施构成了重大障碍 [[1], [2], [3]]。因此,基于丰富且廉价过渡金属(如 Ni、Fe、Co)的双功能催化剂引起了广泛关注 [4,5]。
金属有机框架 (MOFs) 及其衍生物由于其可设计的多金属活性位点、高比表面积和可控的孔结构,已成为电催化领域的重要候选体系 [[6], [7], [8], [9]]。特别是在 Ni–Fe 体系(例如 NiFe MOF/LDH)中,Ni 和 Fe 之间的显著协同效应导致在碱性介质中表现出出色的析氧活性。在电化学活化过程中,生成高活性的 Ni/Fe-氧(氢)氧化物相,显著改善了 OER 动力学 [[10], [11], [12]]。然而,纯 MOFs 或未修饰界面的 NiFe 基材料通常存在导电性不足、活性位点暴露有限以及在高电流或长期循环下结构重排的问题 [13]。这些 shortcomings 限制了它们的进一步实际应用 [14,15]。
作为一种重要的过渡金属碱式盐,碱式碳酸钴 (Co2(OH)2CO3,简称 CCH) 近年来因其应用于电催化和电极材料而得到了广泛研究 [16]。与简单的氢氧化物或氧化物相比,金属碱式盐具有羟基和阴离子(例如 CO32?)配位结构 [17]。它们表现出优异的电化学可转化性(原位转化为 Co(OH)2、Co3O4 和 CoOOH 等活性相)、丰富的表面化学位点以及易于形成缺陷/氧空位。这些优点使它们成为理想的催化剂前体或成核模板 [18,19]。
在针状 Co2(OH)2CO3 和 NiFe MOF 之间构建紧密接触的异质结构能够实现协同优势。一方面,针状 CCH 提供了高比表面积和一维电子/离子传输通道,促进了电解质与活性位点之间的充分接触以及快速电荷转移 [20];另一方面,Co2(OH)2CO3 表面的羟基/碳酸盐位点促进了 NiFe MOF 的原位生长并形成紧密界面。这促进了电子重新分布、能带对齐和界面诱导的价态调节,从而激活更多高价金属位点和有利的吸附位点,增加氧空位 [20,21]。
界面工程被认为是调节催化性能的关键因素 [[22], [23], [24]]。通过构建多个界面或优化结构,可以同时增强电导率、降低界面电荷转移电阻并调节吸附中间体的结合能。这种方法降低了过电位并改善了动力学参数 [25]。在 Ni 基和 Co 基多界面体系中,界面诱导的电子耦合和缺陷工程经常被证明是增强双功能 (OER/HER) 性能的基本机制 [26]。基于此,CCH@NiFe MOF 中的异质界面不仅有望利用各活性组分的优势,还通过界面协同效应放大催化活性和耐久性 [27]。
基于上述背景,本研究通过溶剂热和水热法系统设计和制备了 CCH@NiFe MOF 双功能界面协同异质结构催化剂。最初,CCH 通过水热法合成为基底,随后在 CCH 表面溶剂热生长结晶 NiFe MOF 纳米片。通过 XRD、SEM/TEM、拉曼光谱、XPS 和电化学测试 (LSV、Tafel 分析、EIS、耐久性测试) 评估了 CCH@NiFe MOF 异质结构的结构和电化学性能,包括过电位、塔菲尔斜率、电荷转移电阻和循环稳定性。本研究为基于金属碱式盐和 MOFs 的高性能双功能电催化剂的设计提供了理论和实验指导。