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(duì)可逆的電化學(xué)反應(yīng)，緩慢的反應(yīng)動(dòng)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(wèn)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉慶華研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)“光誘導(dǎo)晶格應(yīng)變”策略，可控地將晶格應(yīng)力引入到過(guò)渡金屬基金屬有機(jī)框架（TM-MOF）材料晶格中（見(jiàn)圖），通過(guò)調(diào)控金屬活性位點(diǎn)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。

圖. 晶格應(yīng)變MOF材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控

晶格應(yīng)變的鎳鐵基NiFe-MOF材料對(duì)ORR與OER的比質(zhì)量活性分別為500 A gmetal-1（電勢(shì)為0.83 V）和2000 A gmetal-1（過(guò)電勢(shì)為0.30 V），比未晶格應(yīng)變的NiFe-MOF材料高2個(gè)量級(jí)。

此外，晶格應(yīng)變的NiFe-MOF材料在電極電勢(shì)為0.85 V和1.45 V下分別進(jìn)行ORR與OER穩(wěn)定性測(cè)試，200小時(shí)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。

基于合肥同步輻射光源，利用微米級(jí)水膜表面張力特性和微孔毛細(xì)滲透原理，建立了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原位同步輻射電化學(xué)傅里葉變換紅外光譜（Operando SR-FTIR）技術(shù)；采用該技術(shù)平臺(tái)，研究了晶格應(yīng)變NiFe-MOF材料在工作狀態(tài)下界面活性位變化以及關(guān)鍵反應(yīng)中間產(chǎn)物

發(fā)現(xiàn)隨著金屬活性中心Ni價(jià)態(tài)的升高，與四電子過(guò)程相關(guān)的氧催化反應(yīng)關(guān)鍵中間產(chǎn)物*OOH形成并吸附在Ni⁴⁺高價(jià)活性中心上，從而高效地催化ORR與OER的進(jìn)行（見(jiàn)圖）。

本工作從原子水平上闡明了晶格應(yīng)變NiFe-MOF材料電催化反應(yīng)的微觀機(jī)制，為設(shè)計(jì)發(fā)展新型氧電催化材料提供了理論指導(dǎo)。

研究成果以“Lattice-strained Metal-organic-framework arrays for Bifunctional Oxygen Electrocatalysis”（用于雙功能氧電催化的晶格應(yīng)變金屬有機(jī)框架陣列）為題在Nature Energy上發(fā)表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-018-0308-8。

Cheng W, Zhao X, Su H, et al. Lattice-strained metal–organic-framework arrays for bifunctional oxygen electrocatalysis[J]. Nature Energy, 2019: 1.