ZIF-67衍生的钴掺杂NiMoO4纳米棒：高效析氧反应电催化剂的构建与机制研究

为突破传统贵金属催化剂在析氧反应(OER)中的成本与活性瓶颈，广西民族大学团队通过ZIF-67热解-水热策略构建了钴掺杂NiMoO4/NF纳米棒阵列催化剂。该材料在10 mA cm?2电流密度下仅需199 mV过电位，且能在500 mA cm?2高电流下稳定运行200小时，为可再生能源转换系统提供了高效非贵金属催化剂解决方案。

　　

全球能源危机与环境污染问题日益严峻，氢能因其清洁高效特性成为理想能源载体。然而，电解水制氢的核心反应——析氧反应(OER)受限于四电子转移的缓慢动力学过程，其过电位远高于析氢反应(HER)。虽然贵金属Ir/Ru基催化剂性能优异，但其稀缺性和高昂成本阻碍了大规模应用。开发兼具高活性与稳定性的非贵金属OER催化剂成为当前研究热点，其中镍钼基化合物因其独特的电子结构和成本优势备受关注。

广西民族大学材料与环境学院的研究人员创新性地采用ZIF-67金属有机框架作为钴源，通过浸渍-水热法构建了钴掺杂NiMoO₄纳米棒阵列催化剂(Co-NiMoO₄/NF)。该研究通过精确调控材料形貌与电子结构，成功实现了OER性能的突破性提升，相关成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》。

研究团队主要采用三种关键技术：ZIF-67模板热解法制备高分散钴掺杂位点、水热法构建纳米棒-纳米片分级结构，以及密度泛函理论(DFT)计算揭示电子转移机制。通过同步辐射X射线吸收谱(XAS)和原位拉曼光谱等技术，系统研究了催化剂的构效关系。

材料合成与表征
扫描电镜(SEM)显示Co-NiMoO₄/NF呈现独特的纳米棒基底生长纳米片的三维结构，比表面积达187 m² g^?1。X射线光电子能谱(XPS)证实钴掺杂引起Ni 2p轨道结合能正移0.8 eV，表明电子从Ni向Mo转移。

电化学性能
在1 M KOH电解液中，催化剂仅需199 mV过电位即可达到10 mA cm^?2电流密度，Tafel斜率低至48.7 mV dec^?1。计时电位测试显示，在500 mA cm^?2工业级电流密度下持续200小时性能衰减不足3%。

机理研究
DFT计算表明，钴掺杂使Ni位点的d带中心下移1.2 eV，优化了*OOH中间体吸附能(-2.34 eV)。原位傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测到关键反应中间体Ni³⁺-OOH物种，证实了钴掺杂加速了决速步的质子耦合电子转移过程。

该研究不仅开发出性能媲美商业IrO₂的非贵金属催化剂，更通过多尺度表征揭示了钴掺杂调控电子结构的分子机制。所提出的ZIF-67衍生策略为设计其他过渡金属催化剂提供了新思路，对推动电解水制氢技术产业化具有重要意义。稳定性测试中，催化剂在模拟工业条件下展现的卓越耐久性，使其在大规模可再生能源存储系统中具有明确的应用前景。