科研动态 | 薛自前副教授课题组：新型导电MOF电催化剂设计和工况原位表征方面取得新进展

　　金属-有机框架（MOFs）又叫多孔配位聚合物（PCPs），凭借其独特的孔结构和丰富的结构多样性，在气体吸附/分离、传感以及催化等诸多领域展现出了广阔的应用前景。近年来， 导电MOFs的出现极大促进了先进电子器件如超级电容器、电池、电催化以及电化学传感器等的发展。然而，MOFs材料在电化学工况条件下稳定性不足这一问题严重制约了其实际应用。例如，在电催化过程中，电解质通常为酸性或碱性的水溶液，电极附近局部 pH 值、温度的变化，以及电位诱导的MOFs的氧化还原，都对材料的稳定性构成了重大挑战。电催化过程中，MOFs的结构重构，导致真正的活性物种难以识别，构-效关系的研究也变得极为困难。因此，开发兼具导电性和高稳定性的MOFs对于增进我们对电催化机理和催化剂构-效关系的理解至关重要。

　　鉴于此，薛自前副教授和MOFs领域先驱之一，日本京都大学Susumu Kitagawa教授合作，提出了“模块化设计”的策略，构筑了具有电化学稳定性的导电MOF（Fe-pyNDI）。该MOF由链状的铁-吡唑金属团簇和长程有序的π堆积单元组成，产生有效的协同（图 1）。研究中使用了先进的三维电子衍射(3D ED)技术解决了导电MOF精确结构解析困难的问题。理论和实验研究证实了Fe-pyNDI中长程有序的π堆积单元不仅能提供有效的电子传输路径，而且可以提高材料的结构稳定性。Fe-pyNDI具有良好的导电性和超高稳定性，可作为稳定的电催化剂实现电化学硝酸根还原合成氨，表现出优越的催化活性，最高法拉第效率约为90%，氨产率为14677μg h-1mgcat-1，优于大多数现有的电催化剂。在催化剂的构-效关系研究中，传统的表征方法灵敏度低、易受活性物种对空气的易感性的干扰，难以准确鉴别催化活性中心的结构演变。鉴于此，研究中使用了先进的同步辐射X射线吸收光谱，以Fe-pyNDI为模型催化剂，通过搭建工况原位表征系统，首次阐明了电催化硝酸根还原合成氨体系中，铁基电催化剂的可能活性物种（图 2）。该研究提出了一种构筑高稳定性导电MOFs的有效策略，报道了高稳定性的导电MOF材料，为研究电催化剂的构-效关系提供了一个新的平台。此外，在原子或分子水平上进一步对MOFs进行结构设计，有望创造新的功能。

　　相关研究工作发表在国际顶级化学期刊Angewandte Chemie International Edition上，入选“Hot Paper”。薛自前副教授为论文第一作者，中山大学先进能源学院为第二完成单位。

　　全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202401005