华东理工大学，化学与分子工程学院教授戴升团队联合中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陆之毅团队，深入研究了二甲基咪唑钴（ZIF-67）催化剂在电化学析氧反应（OER）过程中的降解机制与相平衡调控规律，并显著提升了ZIF-67催化剂的OER稳定性。相关研究近日发表于《纳米快报》。
由于结构可调性和高比表面积等特点，金属有机框架材料（MOFs）被认为是电催化OER的理想材料。已有研究表明，MOFs的催化活性主要源于其固有金属节点，在OER工作条件下会发生显著的结构重构。以钴（Co）基MOF在碱性介质中为例，初始的Co2+物种会经历电化学氧化过程，转化为Co3+并形成活性相CoOOH，进而生成被认为是真正OER活性位点的高价Co4+物种。
尽管MOFs的活性组分已被初步确认，但其理性设计仍面临动态转化路径不明确、活性物种作用机制模糊等挑战，各转化物种对催化活性和稳定性的具体贡献仍有待阐明。
研究团队以ZIF-67为模型体系，通过原子级分辨的透射电镜技术对催化剂单颗粒进行追踪，揭示了ZIF-67在OER反应进程中的动态演化机制，并提出相平衡调控是提升MOFs催化剂稳定性的关键策略。
ZIF-67电化学OER过程中的相平衡图示。图片由研究团队提供
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机制研究表明，在OER过程中，ZIF-67表现为中间相Co(OH)2、活性相CoOOH和惰性相CoO三相动态平衡。抑制Co(OH)2向CoO的不可逆转化，则可有效维持活性物种CoOOH的含量。基于此，研究团队通过优化低温反应条件，成功实现了对三相平衡的精准调控，使ZIF-67催化剂的OER稳定性得到显著提升。
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02869
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