迄今为止，大多数报道的催化剂都是以粉末形式制备的，并通过将其作为浆料沉积到平面电极上，添加聚合物粘合剂进行评估。然而，这种方法不可避免地会导致活性位点被埋藏、电子和质量传输受阻，以及在高电流密度下催化剂的分离。为了解决这些问题，研究人员将重点放在无粘合剂的自立式电极上，在这些电极中，催化剂直接在导电衬底上生长。然而，实现对电极组成的精确控制并在这些电极中均匀分布活性位点仍然是一个巨大的挑战。在过去的几十年里，金属有机框架（MOF）材料在创造新型纳米结构等方面取得了重大进展，这些新型结构在能量转换与储存、传感、催化等领域有着广泛的应用。具体来说，通过有机配体、金属节点和合成环境的精确设计，可以有效地调整MOF的结构和均匀性，以满足特定的应用需求。这些优势是MOF所独有的，在大多数其他传统多孔纳米材料中很难实现。尽管MOF具有灵活的化学成分和结构可调性，但由于其电子导电性差和稳定性不足，这限制了它们在器件中的应用。因此，基于MOF衍生物的研究引起了更多关注，以期增强MOF的性能。与原始MOF相比，MOF衍生材料因其固有的优势，尤其是更高的结构稳定性、增强的电子导电性以及更均匀的结构，已成为研究的热点。这些特性使它们在均质粉末材料和膜材料的合成中得到了广泛的应用。近期，齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学部氢电能源材料创新团队通过金属有机框架合成了镍片自支撑碳纳米管复合电极。研究发现，Ni的引入能够调整催化剂的表面电子结构，进而改变催化剂的OER速率决定步骤，显著提升了析氧反应的效率，并且具有良好的稳定性。
精确控制电极组成并在这些电极中构建均匀分布的活性位点仍然具有挑战性。在此，我们提出了一种通用策略，即利用金属有机框架（MOF）/镍箔可控合成自支撑Co-Ni/氮掺杂碳纳米管阵列（CoNi-NCNT/NiF）作为高效的OER电催化剂。实验和密度泛函理论（DFT）计算结果表明，Co纳米粒子的协同效应、杂原子掺杂和NCNTs的约束效应能够增强电子传输并加速电催化动力学。此外，CoNi-NCNT/NiF的多孔结构和优化成分将增强传质、电子转移及中间物吸附能力，所有这些因素共同作用使催化剂具有优异的电催化活性和稳定性。在碱性电解质中，CoNi-NCNT/NiF仅需268 mV的低且稳定的OER过电位即可在20 mA·cm−2电流密度下工作，表现优异，位居迄今为止报道的非贵金属催化剂前列。该研究为可持续清洁能源应用中的自支撑电催化剂的精确构建提供了新的指导。
图1 DFT机理研究
上述成果以“General design of self-supported Co-Ni/nitrogen-doped carbon nanotubes array for efficient oxygen evolution reaction”为题，发表在国际知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（IF: 9.4）上。齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学部2022级硕士研究生牟梦菲为文章的第一作者，学部闫理停副教授、赵学波教授和潍坊学院孔祥军老师为文章的共同通讯作者。
本研究得到国家自然科学基金、山东省高校青年创新团队项目、济南市“新高校20条”、齐鲁工业大学（山东省科学院）人才科研项目等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.01.159
