電催化水分解被認(rèn)為是一種可持續(xù)的、生態(tài)友好的生產(chǎn)清潔氫能的有效途徑。然而，水電解的陽極析氧反應(yīng)(OER)是一個復(fù)雜的四電子轉(zhuǎn)移過程，動力學(xué)過程緩慢，限制了水電解制氫的整體效率。RuO₂和IrO₂等貴金屬基催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的OER催化性能，但其稀缺性和高成本限制了它們在水電解中的大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)高效且具有成本效益的非貴金屬基電催化劑以推動水電解制氫技術(shù)的實際應(yīng)用具有重要意義。

近日，武漢科技大學(xué)杜星和中國科學(xué)院化學(xué)研究所董際臣等報道了一種利用具有高密度催化活性位點的最小苯基配體制備一系列雙金屬c-MOFs (Ni_xFe_1-x-THQ，THQ=四羥基-1,4-苯醌水合物)的簡便方法。通過調(diào)節(jié)Ni/Fe的比例，得到了一系列具有最佳電子結(jié)構(gòu)和中間體吸附能力、電荷傳輸速率快的催化劑。

實驗結(jié)果表明，最優(yōu)的Ni_0.5Fe_0.5-THQ催化劑在10 mA cm^?2電流密度下的OER過電位僅為272 mV，并且該催化劑在1.5 V_RHE下連續(xù)運行40小時而沒有發(fā)生明顯的活性下降，且反應(yīng)后材料的形貌和結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，表明Ni_0.5Fe_0.5-THQ具有優(yōu)異的穩(wěn)定性(這種顯著的電化學(xué)穩(wěn)定性可以歸因于Ni、Fe和THQ之間配位鍵的強(qiáng)螯合作用)。

一系列光譜表征和理論計算結(jié)果顯示，由于具有高自旋價電子排布和π對稱(t_2g) d軌道中相應(yīng)的三個未配對電子，F(xiàn)e³⁺ (t_2g³e_g²)可以實現(xiàn)與橋接O之間較弱的電子相互作用，而Ni²⁺ (t_2g⁶e_g²)可以實現(xiàn)與橋接O之間強(qiáng)烈的e^?-e^?排斥，因為其具有完全占據(jù)π對稱(t_2g)d-軌道。

因此，當(dāng)Ni²⁺與Fe³⁺耦合后，O^2-與Ni²⁺之間強(qiáng)烈的e^?-e^?排斥作用將觸發(fā)Ni²⁺向Fe³⁺的部分電子轉(zhuǎn)移，進(jìn)而很好地調(diào)制Ni_xFe_1-x-THQ中Ni位點的電子構(gòu)型，使得Ni位點與吸附氧物種之間的結(jié)合強(qiáng)度可以優(yōu)化到滿足Sabatier原則。

此外，隨著電子密度的降低，具有低半滿e_g軌道的Ni²⁺與吸附的氧物種形成適當(dāng)?shù)逆I合，有利于提高催化活性，加快OER反應(yīng)速率。綜上，該項工作為構(gòu)建具有更多高密度催化活性中心的雙金屬c-MOFs電催化劑以實現(xiàn)高效水電解提供了指導(dǎo)，也為MOFs電催化劑的設(shè)計和研究提供了新的思路。

Regulating electronic structure of bimetallic NiFe-THQ conductive metal–organic frameworks to boost catalytic activity for oxygen evolution reaction. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202310902