基于醌基的共價有機框架用于電催化析氧反應

常建紅, 徐國杰, 李 輝, 方千榮

(吉林大學無機合成與制備化學國家重點實驗室, 長春 130012)

電催化析氫反應(HER)和析氧反應(OER)被認為是最簡易和最環保的制氫方法之一[1,2]. 它通過電將水分解成氫和氧, 從而成功地實現了對水等能源的存儲, 整個過程可再生、清潔和綠色[3,4]. OER過程被認為是水分解系統的限速步驟, 其中O—H鍵的斷裂和伴隨O—O鍵的形成具有很高的能量勢壘[5]. 因此, 有必要開發高效的OER催化劑, 以降低能量勢壘, 提高O2的析出率, 最終加速OER反應, 從而推動整個水分解系統的有效進行. 基于Ir, Ru[6,7], Co[8], Fe[9], Cu[10]和Mn[11]等金屬原子的材料是OER的有效電催化劑, 但由于高成本和對環境的二次污染, 在一定程度上限制了這些材料的發展. 因此, 開發無金屬碳材料進行電催化析氧反應逐漸受到了研究者的廣泛關注. 引入N, O, S和P等雜原子的碳材料目前已被廣泛研究. 文獻表明, 其性能甚至可優于IrO2及RuO2等傳統的貴金屬催化劑[12～19]. 由于雜原子固有的負電特性可以改變碳基材料的電子結構和化學特性, 以增強碳材料的OER活性[20,21]. 對于納米碳材料, N, O, S和P元素的摻雜可改變納米碳的內在特性, 使其能夠在不降低電導率的情況下提升OER性能[22～26]. 但對無機碳材料進行雜原子摻雜很難精確控制摻雜的位置和種類分布, 限制了碳材料性能的進一步提升. 因此設計和開發替代的電催化材料一直備受關注.

自2005年Yaghi課題組成功制備共價有機框架(COFs)以來, COFs作為一種新型的晶態有機多孔聚合物材料一直備受關……