哈尔滨工程大学曹殿学团队 | 模板导向生长的海胆状CoSₓ/Co-MOF作为高效电解水和尿素电解催化剂

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自2020年1月起， ICF要求新投稿的文章在参考文献中加入每篇论文的标题。

金属有机骨架（MOFs）是一种新型的纳米材料。MOFs由于具有较大的比表面积和可控的结构组成，利用MOFs材料作为模板，合成氧化物、硫化物、磷化物、硒化物和多孔碳，在能源相关领域得到了广泛应用。水热法是合成MOF材料的一种普遍方法，然而得到的催化材料均为粉末状，在后续制备电极时，易发生团聚且不利于电子的传输。

近日，哈尔滨工程大学曹殿学教授团队采用氢氧化钴为模板，利用气相法在管式炉中合成了海胆状Co-MOF，经过进一步的硫化得到了高效电解水和尿素电解催化剂CoS_x/Co-MOF。（图1）

图1 CoS_x/Co-MOF的合成示意图

经过2个小时浅层硫化反应后，Co-MOF的海胆状形貌仍得以保存，并在表面生成了CoS_x。（图2）

图2 Co-MOF和CoS_x/Co-MOF的SEM，TEM和EDS表征

通过该方法制备的CoS_x/Co-MOF直接生长在泡沫镍集流体上，并拥有独特的海胆状形貌，作为电催化材料具有更高的电化学活性表面积，在后续电解水和尿素电解中具有良好的催化活性。CoS_x/Co-MOF作为多功能催化剂，在尿素电解池中仅需要1.48 V就可以驱动10 mA cm^-2的电流密度。（图3）

图3 CoS_x/Co-MOF在1M KOH和1 M KOH+0.5 M尿素电解液中的催化性能对比图

文中重点对UOR的反应机理进行了研究。在碱性条件下， Co²⁺被氧化成生成 Co³⁺，而Co³⁺在高电势下又进一步氧化成 Co⁴⁺。在尿素电氧化过程中，尿素分子首先通过Co-O 和 O-C 配位键吸附在活性位点 Co⁴⁺上，并进一步发生氧化还原反应。其中，Co⁴⁺被还原成 Co³⁺，而尿素分子同时被氧化分解成 N₂、 CO₂ 和 H₂O 分子。（图4）

图4 CoS_x/Co-MOF电极上尿素电氧化过程示意图

这项工作以Co(OH)₂为前驱体导向合成出形貌独特的Co-MOF。这为利用MOF材料合成电催化剂提供了一种新思路。同时利用尿素小分子氧化替代原本的OER，大大提高了电解水的效率。该工作为未来实现节能、高效的产氢目标提供了可行性。

点击“阅读原文”直达上述文章

Template-directed assembly of urchin-like CoSₓ/Co-MOF as an efficient bifunctional electrocatalyst for overall water and urea electrolysis

Huizhu Xu, Ke Ye, Kai Zhu, Jinling Yin, Jun Yan, Guiling Wang and Dianxue Cao

Inorg. Chem. Front., 2020,7, 2602-2610

http://dx.doi.org/10.1039/D0QI00408A

*文中图片皆来源上述文章

通讯作者简介

曹殿学 教授

哈尔滨工程大学 材料科学与工程

曹殿学：哈尔滨工程大学教授，博士生导师。黑龙江省“龙江学者”，江苏省高层次创新创业（双创）人才。加拿大阿尔伯塔大学博士，美国伊利诺伊大学博士后。主要从事电化学、燃料电池、锂钠镁离子电池、超级电容器、石墨烯等新型二维材料等的方面的研究。在国际期刊发表SCI论文270余篇，6篇入选过ESI高被引论文，他引次数8000余次，h指数46。2016-2017连续2年入选全球高被引学者（Clarivate Analytics），2015-2019连续5年入选高被引中国学者（Elsevier）。获黑龙江省科学技术一等奖1项，二等奖2项，授权中国发明专利30余项，美国发明专利3项。

叶克 教授

哈尔滨工程大学 材料科学与工程

叶克，哈尔滨工程大学教授，材料科学与工程专业博士生导师，黑龙江省优秀青年科学基金获得者，黑龙江省化工学会理事。主要从事燃料电池，水系储能电池及CO₂电还原等领域的研究。2013年3月毕业于日本北海道大学，获工学博士学位。留学期间获日本文部科学省 JASSO 优秀奖，GCOE 亚洲研究生院奖，北海道大学校长奖。近5年，在国际学术期刊上发表SCI收录论文180余篇，SCI他引2700余次，H-index 26，申请国家发明专利10项，其中授权5项。受邀参加ISE等A类国际会议并发表英文演讲10次，其中获最佳奖1次。主持国家自然科学基金，黑龙江省自然科学基金，中国博士后科学基金特别资助，中国博士后科学基金面上项目等15项科研项目。

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