近日，我所理論催化創新特區研究組（05T8組）肖建平研究員團隊與中國科學院寧波材料技術與工程研究所張濤研究員團隊、浙江大學侯陽研究員團隊在電解水材料設計中取得新進展，制備了限域環境下的NiFe MOF材料，實現了超低過電位（106 mV）和超高電解穩定性（大于150小時）的電解水過程。
電解水（oxygen evolution reaction, OER）是實現清潔能源轉化中的重要過程。有機金屬骨架（MOFs）材料被認為是一種極具潛力的電解水材料，然而，其電導率較差的特性阻礙了其作為電催化材料的發展進程。
在本工作中，侯陽團隊通過將NiFe MOF材料封裝在限域石墨烯層間，解決了MOF材料電導率差的本質問題。與此同時，肖建平團隊通過OER截頂式反應相圖的建立，證明了限域環境提高了NiFe MOF材料的本征催化活性。
肖建平團隊以第一性原理密度泛函理論計算為研究手段，首先對限域環境下NiFe MOF材料中的活性位點的電子結構進行研究。團隊從限域對電子軌道的態密度影響可以推斷出，限域環境讓MOF材料上的活性位點可體現出更強的成鍵能力，根據傳統OER活性趨勢的推斷，這可能是增強OER催化活性的本質原因。進一步，團隊對OER催化過程進行研究，通過材料表面重要中間物種之間的相互線性關聯，在MOF材料中也得到了二維截頂式“反應相圖”。這與之前該團隊得到的在CoMn材料上所體現出的OER活性趨勢高度一致（Nat. Catal.，2022）。此外，在MOF材料的體系中，團隊發現體現出高活性的限域NiFe MOF材料的主要活性位點也處于反常截頂的活性火山型曲線的頂點平臺上，證明了該材料高OER活性的本質。同時，一系列NiFe MOF材料的理論活性趨勢能夠和實驗活性趨勢完美契合，證明了理論模型的準確性。
相關研究以“Exceptional catalytic activity of oxygen evolution reaction via two-dimensional graphene multilayer confined metal-organic frameworks”為題，于近日發表在《自然—通訊》（Nature Communications）上。該工作的共同第一作者是浙江大學博士后呂思劉和我所05T8組助理研究員郭辰曦。上述工作得到國家重點研發計劃、中科院潔凈能源創新研究院合作基金、國家自然科學基金、中科院B類先導專項“功能納米系統的精準構筑原理與測量”等項目的支持。（文/圖 郭辰曦）
