MOF衍生金屬磷化物/石墨烯複合物高效催化析氧反應
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註：文末有研究團隊簡介及本文科研思路分析
析氧反應（oxygen evolution reaction，OER）是水分解、可充放金屬空氣電池等相關能源領域研究中重要的半反應。然而OER緩慢的動力學和過高的過電勢，制約了其在實際生產過程中的廣泛應用。目前商用的Ru、Ir等貴金屬基催化劑（如RuO2和IrO2等），存在著成本高、反應過程易氧化失活等缺點。因此，研究低成本、高活性、高穩定性的非貴金屬基OER催化劑具有十分重要的意義。近日，武漢理工大學的麥立強教授、周亮教授研究團隊成功製備出了具有較高OER催化活性的金屬有機框架結構（MOF）衍生的金屬磷化物/石墨烯複合材料。
利用Ni-MOF作為前驅體，通過進一步的煅燒工藝合成了具有較好OER性能的碳限域Ni2P納米晶（Ni2P@C），通過與石墨烯的複合（Ni2P@C/G），材料的OER活性得到了進一步的提高。在1 M KOH電解液中，Ni2P@C/G僅需285 mV的過電勢就可以獲得 10 mA cm-2的電流密度，並具有較低的塔菲爾斜率（44 mV dec-1）以及良好的耐久性，可以與目前已報道的性能優異的貴金屬基及非貴金屬基OER電催化劑相媲美。石墨烯的引入，一方面降低了Ni2P納米晶的團聚，使其暴露了更多的活性位點，獲得了更大的電化學活性比表面積；另一方面形成了良好的導電網路以提高材料導電性，從而提升材料的催化活性。通過進一步的非原位XPS和TEM表徵可以發現，Ni2P納米晶在OER過程中會氧化並原位生成NiOOH作為OER反應的活性位點。
該工作可以應用於相關的過渡金屬磷化物析氧催化劑，以及其他能源轉換與儲存領域。相關成果近期發表在Chemical Communications上，文章的第一作者是武漢理工大學的碩士研究生王蔓蔓。
該論文作者為：Manman Wang, Mengting Lin, Jiantao Li, Lei Huang, Zechao Zhuang, Chao Lin, Liang Zhou and Liqiang Mai
Metal–organic framework derived carbon-confinedNi2P nanocrystals supported on graphene for an efficient oxygen evolution reaction
Chem. Commun.,2017,53, 8372, DOI: 10.1039/C7CC03558F
麥立強教授簡介
麥立強，武漢理工大學材料學科首席教授，博士生導師，武漢理工大學材料科學與工程國際化示範學院國際事務院長，教育部「長江學者特聘教授」，國家傑出青年基金獲得者，先後在中國科學院外籍院士美國喬治亞理工學院王中林教授課題組、美國科學院院士哈佛大學CM Lieber教授課題組、美國加州大學伯克利分校楊培東教授課題組從事博士後、高級研究學者研究。長期從事納米能源材料與器件研究，麥立強發表SCI論文260餘篇，包括Nature及其子刊10篇，Adv. Mater.11篇，J. Am. Chem. Soc.2篇，Angew. Chem. Int. Ed.2篇，PNAS2篇，Nano Lett.23篇，以第一或通訊作者在影響因子10.0以上的期刊發表論文77篇。主持國家重大基礎研究計劃課題、國家國際科技合作專項、國家自然科學基金等30餘項科研項目。獲中國青年科技獎、光華工程科技獎（青年獎）、湖北省自然科學一等獎、侯德榜化工科學技術獎（青年獎）、Nanoscience Research Leader獎、入選「百千萬人才工程計劃」、國家「萬人計劃」領軍人才，並被授予「有突出貢獻中青年專家」榮譽稱號。現任Adv. Mater.客座編輯，Joule、 Adv. Electron. Mater.國際編委，Nano Res.編委。
http://www.x-mol.com/university/faculty/26717
周亮教授簡介
周亮，武漢理工大學特聘教授，博士生導師，中組部「青年千人」計劃入選者，昆士蘭大學澳大利亞生物工程與納米技術研究所榮譽副教授。2006年獲復旦大學化學系理學學士學位，2011年獲得復旦大學化學系理學博士學位，師從趙東元院士和余承忠教授。主要研究方向為功能納米材料的電化學儲能應用，在Nat. Commun.、Angew. Chem., Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Cent. Sci.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等國際期刊發表SCI論文80餘篇，文章被引用3,500餘次，H因子為27。
http://www.x-mol.com/university/faculty/40459
科研思路分析
Q：這項研究最初是什麼目的？或者說想法是怎麼產生的？
A：我們的研究目的在於設計高效、穩定的過渡金屬基OER催化劑來代替貴金屬基OER催化劑，以廣泛應用於實際的生產過程之中。過渡金屬磷化物因為其高的導電性以及良好的穩定性，已經被廣泛應用於析氫反應之中，但是對於其在析氧反應中的研究就相對較少。目前，MOF以及其衍生物已被廣泛應用於電催化領域，如氧析出、氫析出和氧還原反應,並均展現出優異的電催化活性。通過文獻的調研我們發現由Ni-MOF所衍生的磷化鎳材料目前僅具有析氫反應的催化活性而沒有析氧催化活性，因此我們希望通過控制煅燒工藝來合成Ni-MOF衍生的磷化鎳材料來作為OER催化劑。
Q：研究過程中遇到哪些挑戰？
A：本研究中最大的挑戰是如何控制煅燒工藝來將MOF前驅體磷化，並使之具有優異的OER活性。通過大量的文獻調研以及多次的嘗試，我們最終確定了最優的磷化方案來獲得性能優異的磷化鎳OER催化劑。另外，磷化物在OER反應過程中的反應機理並不清晰，後期仍需要更深入的研究。
Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？
A：高活性的過渡金屬基磷化物OER催化劑表現出了代替傳統的貴金屬基催化劑的巨大潛力。在電解水以及可充放金屬空氣電池等領域具有廣泛的應用前景，有望獲得相關能量轉換及儲存領域或機構的關注。但是磷化物的OER反應機理研究仍處於初級階段，仍有很多問題亟待解決。我們願意繼續努力，積極推動過渡金屬基催化劑領域的發展。
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