Inorg. Chem. Front.:二维导电金属析氧和还原反应的高效催化剂

发布网友发布时间：2024-10-06 16:32

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热心网友时间：2024-10-27 09:27

中国科学技术大学和宁波大学的研究团队，以张文华、杨金龙院士和赵文辉等人为代表，通过密度泛函理论计算，聚焦于二维导电金属-有机框架（MOFs）系列TMNxO4-x-HTC（TM包括Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir和Pt，x范围为0-4，HTC为六三苯并环炔）的潜在应用，作为析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）的高效催化剂。

研究使用维也纳从头算模拟包（VASP）进行DFT计算，采用GGA-PBE函数描述电子交换关联，同时考虑Grimme的DFT-D3校正处理范德华相互作用。计算参数严格设定，如平面波截止能量为500eV，几何优化要求能量和力的收敛达到10^-5 eV和10^-2 eVÅ^-1。研究通过3×3×1 k点网格采样布里渊区，并施加20Å真空层以避免周期性相互作用。

研究结果显示，2D TMNxO4-x-HTC具有稳定的结构，其中TM原子被氮和氧原子包围。通过计算形成能和溶解势，证明这些催化剂具有良好的热力学和电化学稳定性。在OER催化性能方面，CoN3O1-HTC表现出最佳，过电位ηOER为0.29V，而RhN2O2-HTC在ORR中的ηORR最低，为0.20V。RhO4-HTC、RhN2O2-HTC和CoN1O3-HTC被证明是OER和ORR的高效双功能催化剂。

催化剂的活性取决于中间体与催化剂之间的相互作用，这可通过调节TM原子和N/O原子的局部配位数来*。研究还通过动力学模拟验证了这些催化剂在ORR中的高活性和选择性。这一研究不仅为高效OER和ORR电催化剂的设计提供了新思路，也为2D MOF材料在电化学领域的应用开辟了新的路径。