氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）是燃料電池、金屬-空氣電池等電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置所涉及的一對可逆的電化學(xué)反應(yīng)，緩慢的反應(yīng)動力學(xué)與較低的反應(yīng)可逆性是制約電池能量效率提升的關(guān)鍵科學(xué)問題，因此，亟需發(fā)展新型高效穩(wěn)定的雙功能電催化材料。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室的一個研究組對晶格應(yīng)變NiFe-MOF電催化材料的性能和電催化機(jī)理進(jìn)入了深入的研究，相關(guān)的研究成果發(fā)表在2019年1月14日的《Nature Energy》上。 

　　該研究組通過一種“光誘導(dǎo)晶格應(yīng)變”的策略，可控地將晶格應(yīng)力引入到過渡金屬基金屬有機(jī)框架（TM-MOF）材料晶格中（見圖1），通過調(diào)控金屬活性位點3d態(tài)的電子結(jié)構(gòu)降低了電催化反應(yīng)的能壘，獲得了高效雙功能氧電催化材料。晶格應(yīng)變的鎳鐵基NiFe-MOF材料對ORR與OER的比質(zhì)量活性分別為500 A gmetal^-1（電勢為0.83 V）和2000 A gmetal-1（過電勢為0.30 V），比未晶格應(yīng)變的NiFe-MOF材料高2個量級。此外，晶格應(yīng)變的NiFe-MOF材料在電極電勢為0.85 V和1.45 V下分別進(jìn)行ORR與OER穩(wěn)定性測試，200小時后電流密度衰減僅為3%，表明晶格應(yīng)變的NiFe-MOF材料具有優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。 

　　圖1. 晶格應(yīng)變NiFe-MOF材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控和性能表征，以及利用北京同步輻射裝置（BSRF）的1W1B-XAFS實驗站獲得的晶格應(yīng)變NiFe-MOF材料的局域原子結(jié)構(gòu)。 

　　該研究組利用北京同步輻射裝置1W1B-XAFS實驗站獲得了各種晶格應(yīng)變NiFe-MOF材料的局域原子和電子結(jié)構(gòu)（見圖1），在此基礎(chǔ)上對晶格應(yīng)變NiFe-MOF催化劑的電催化氧反應(yīng)過程進(jìn)行深入研究，首次觀察到在氧催化過程中，伴隨著Ni活性中心價態(tài)的升高，氧反應(yīng)關(guān)鍵中間產(chǎn)物*OOH出現(xiàn)并與Ni⁴⁺ 高價活性中心直接成鍵，揭示了晶格應(yīng)變NiFe-MOF催化材料高效的4e-氧電催化反應(yīng)機(jī)制。 

　　這個研究從原子水平上闡明了晶格應(yīng)變NiFe-MOF材料高效能量傳輸和轉(zhuǎn)化的微觀機(jī)制。在這樣研究工作中，同步輻射光源幫助該研究組解開了該晶格應(yīng)變MOF材料局域微觀結(jié)構(gòu)變化的面紗。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室副研究員劉慶華這樣描述他們的工作：“通過這些微觀局域結(jié)構(gòu)測試結(jié)果進(jìn)行反饋，指導(dǎo)優(yōu)化材料合成條件，進(jìn)一步提高和優(yōu)化我們的材料性能和工作穩(wěn)定性。在更亮的同步輻射光束線上建立時間分辨等探測技術(shù)將必定會有助于進(jìn)一步研究燃料電池等能量轉(zhuǎn)換裝置的內(nèi)在機(jī)制，為發(fā)展商業(yè)化能量轉(zhuǎn)換體系提供技術(shù)支持”。 

　　發(fā)表文章： 

　　Weiren Cheng, Xu Zhao, Hui Su, Fumin Tang, Wei Che, Hui Zhang and Qinghua Liu*. Lattice-strained metal–organic-framework arrays for bifunctional oxygen electrocatalysis. Nature Energy, 4, 115–122 (2019).