現場で成長した三元酸化物/2D Ni-BDC MOF NanoComposites on Nickel Foam上の電気化学的水分割の効率的な電気触媒としての設計

将来のエネルギーである水素のセキュリティは、効率的な全体的な水分割の実現のために、水素および酸素進化反応（HERSおよびOER）のための高性能、安定性、および低コストの電極触媒の設計の対象となります。二次元（2D）金属有機フレームワーク（MOF）は、スーパーキャパシタ、ガス貯蔵、水分割など、さまざまな用途向けに多用途の化学的および構造的特徴を備えた大規模な材料を導入します。ここでは、NCM/NI-BDC@NF（n = ni、c = co、m：f = fe、c = cu、およびz = zn、bdc：ベンゼンジカルボン酸、NF：ニッケルフォーム）に基づく一連のナノコンポジット材料容易でありながらスケーラブルな溶剤法を使用して、NFで直接開発されました。結合後、金属原子の電子構造はよく溶解しました。XPSの結果に基づいて、NCF/NI-BDCの場合、カチオン性原子はOERに適したより高い酸化状態にシフトしました。逆に、NCZ/Ni-BDCおよびNCC/NI-BDCナノコンポジットの場合、カチオン性原子は彼女にとって有利な酸化状態の低い状態にシフトしました。準備されたNCF/NI-BDCは、顕著なOER性能を実証し、それぞれ10および50 MA cm-2電流密度を提供するために、可逆的な水素電極に対して1.35および1.68 Vのみを必要としました。カソード側では、NCZ/Ni-BDCは、それぞれ1.0 Mおよび50 MA cm-2を生成するために、それぞれ1.0 m KOH培地未満の10および50 MA cm-2を生成するために、それぞれ170および350 mVの過ポテンシャルで最高の彼女の活動を示しました。2電極のアルカリ電解因子では、組み立てられたNCZ/Ni-BDC（カソード）∥NCF/NI-BDC（アノード）カップルは、10 mA cm-2を生成するためにわずか1.58 Vの細胞電圧を要求しました。OERに対するNCF/Ni-BDCの安定性も模範的であり、10、20、および50 MA cm-2で45時間近く連続動作を経験しました。驚くべきことに、50 mA cm-2でのOERの安定性後の過激性は、450〜200 mVに劇的に低下しました。最後に、全体的な水分割のファラダ効率は、20 mA cm-2の定電流密度でH2およびO2産生の100および85％のそれぞれの値を明らかにしました。

The security of future energy, hydrogen, is subject to designing high-performance, stable, and low-cost electrocatalysts for hydrogen and oxygen evolution reactions (HERs and OERs), for the realization of efficient overall water splitting. Two-dimensional (2D) metal-organic frameworks (MOFs) introduce a large family of materials with versatile chemical and structural features for a variety of applications, such as supercapacitors, gas storage, and water splitting. Herein, a series of nanocomposites based on NCM/Ni-BDC@NF (N=Ni, C=Co, M:F=Fe, C=Cu, and Z=Zn, BDC: benzene dicarboxylic acid, NF: nickel foam) were directly developed on NF using a facile yet scalable solvothermal method. After coupling, the electronic structure of metallic atoms was well-modulated. Based on the XPS results, for the NCF/Ni-BDC, cationic atoms shifted to higher oxidation states, favorable for the OER. Conversely, for the NCZ/Ni-BDC and NCC/Ni-BDC nanocomposites, cationic atoms shifted to lower oxidation states, advantageous for the HER. The as-prepared NCF/Ni-BDC demonstrated prominent OER performance, requiring only 1.35 and 1.68 V versus a reversible hydrogen electrode to afford 10 and 50 mA cm-2 current densities, respectively. On the cathodic side, NCZ/Ni-BDC exhibited the best HER activity with an overpotential of 170 and 350 mV to generate 10 and 50 mA cm-2, respectively, under 1.0 M KOH medium. In a two-electrode alkaline electrolyzer, the assembled NCZ/Ni-BDC (cathode) ∥ NCF/Ni-BDC (anode) couple demanded a cell voltage of only 1.58 V to produce 10 mA cm-2. The stability of NCF/Ni-BDC toward OER was also exemplary, experiencing a continuous operation at 10, 20, and 50 mA cm-2 for nearly 45 h. Surprisingly, the overpotential after OER stability at 50 mA cm-2 dropped drastically from 450 to 200 mV. Finally, the faradaic efficiencies for the overall water splitting revealed the respective values of 100 and 85% for the H2 and O2 production at a constant current density of 20 mA cm-2.