研 究 背 景
在目前研究的非貴金屬催化劑中，含鈷物質的碳基催化劑一般表現出雙功能催化活性（ORR和OER）。制備鈷基碳材料的前驅體有很多，其中2-甲基咪唑鈷鹽（ZIF-67）具有豐富的鈷和氮源、比表面積大等優點，被廣泛應用于制備ORR和OER催化劑。然而，ZIF-67通常需要高溫熱解才能獲得所需的催化劑，在這種情況下鈷原子會自發聚集形成大尺寸的鈷顆粒，導致電化學活性面積和活性位點減少。
在此，為了減少ZIF-67自身碳化引起的各種不利影響因素，我們選擇了三種不同的具有配位功能的有機化合物（抗壞血酸、檸檬酸和EDTA二鈉）來錨定和分散ZIF-67中Co離子，形貌和結構表征表明，在熱處理過程中由配位有機物調節的 ZIF 中，其衍生產物中Co 的團聚顯著減弱，這主要歸功于配位有機物強大的過渡金屬配位能力。電化學性能測試進一步表明，經配位有機物修飾ZIF-67衍生的催化劑大大提高了其氧電催化活性。
文 章 簡 介
基于此，來自武漢理工大學的何大平教授和木士春教授合作，在國際知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上發表題為“Size-controlled Engineering of Cobalt Metal Catalysts through A Coordination Effect for Oxygen Electrocatalysis”的研究性文章。該文章主要研究了具有配位效應的螯合劑對鈷基納米顆粒的尺寸以及氧電催化活性的影響。
圖1. （a）配位有機物調控的MOF衍生電催化劑的合成過程，（b） ZIF-67衍生的MOF-Co 的TEM 圖像， (c) 乙二胺四乙酸二鈉調節ZIF-67衍生的EA-MOF-Co 的 TEM 圖像
本 文 要 點
要點一：配位有機物對ZIF-67碳化產物中Co分布的影響
透射電子顯微鏡圖像和像差校正的高角暗場掃描透射電子顯微鏡(ACHAADF-STEM)圖像顯示，經配位有機物調節ZIF-67所得碳化產物中的Co基納米顆粒具有更小的尺寸和更高的分散性；此外還有大量的Co呈原子級分散狀態；X射線光電子能譜表明，配位有機物調節ZIF-67所得碳化產物均具有更多的Co2+-Nx位點。
要點二：配位有機物對ZIF-67碳化產物結構的影響
拉曼光譜和N2吸脫附測試結果表明經配位有機物調節ZIF-67所得的碳化產物均具有更多的缺陷和更高的比表面積。
要點三：配位有機物對ZIF-67碳化產物氧電催化活性的影響
測試結果顯示，使用配位有機物調節ZIF-67碳化所得產物的ORR和OER活性均顯著提高，這歸功于具有高分散性且更小尺寸的鈷基納米粒子可以提供更多的電化學活性面積和活性位點，從而提高其電化學本征活性。
文 章 鏈 接
Size-controlled Engineering of Cobalt Metal Catalysts through A Coordination Effect for Oxygen Electrocatalysis
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092633732200707X
課 題 組 介 紹
何大平教授簡介：
武漢理工大學教授，英國皇家學會牛頓學者，湖北省楚天學子，湖北省青年英才。研究方向為納米復合材料的制備與應用，特別是新型石墨烯材料的合成與結構調控、貴金屬納米材料的界面設計及貴金屬與石墨烯復合型材料在新能源設備、傳感器、射頻微波領域的應用。目前已在Nat. Commun., J.Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等國際知名期刊上發表學術論文80余篇，申請國家發明專利19件。
木士春教授簡介：
武漢理工大學學科首席教授、博士生導師，主要從事質子交換膜燃料電池關鍵材料與核心器件、電化學產氫和碳納米材料等研究工作。作為第一作者及通訊作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等國際權威期刊上發表250余篇高質量學術論文，以第一發明人申請國家發明專利近100件，其中授權70余件。