光電化學（PEC）水分解生產(chǎn)氫氣在可持續(xù)能源的開發(fā)和利用中引起了廣泛的關注。緩慢的水氧化反應動力學和嚴重的電荷復合限制了光電化學水分解的發(fā)展。負載水氧化反應的助催化劑是提高界面反應動力學，加速電荷分離和轉(zhuǎn)移的有效解決方案。開發(fā)和設計水氧化反應的助催化劑對高效穩(wěn)定的PEC水分解反應非常重要。
近年來，金屬有機框架（MOFs）由于可調(diào)的結(jié)構(gòu)和豐富的活性位點，已作為高效助催化劑用于PEC水分解。近日，大連理工大學的侯軍剛教授團隊基于沸石咪唑框架材料（ZIFs）的玻璃成形能力，通過熔化鈷基ZIF成功制備了一種MOF玻璃催化劑（Co-agZIF-62），設計了Co-agZIF-62/NiO/MO集成光陽極，表現(xiàn)出顯著增強的PEC水氧化活性和穩(wěn)定性。
NiO空穴傳輸層由電沉積法制備，在BiVO4表面呈現(xiàn)蓬松的NiO薄納米片。通過機械化學法合成了鈷基沸石咪唑框架（Co-ZIF-62），熔化相應的Co-ZIF-62獲得了鈷基沸石咪唑框架玻璃（Co-agZIF-62）。Co-agZIF-62表現(xiàn)出連續(xù)光滑的形貌，均勻分布在光陽極的表面。 Co-agZIF-62/NiO/BiVO4光陽極在1.23 V vs. RHE時光電流密度達到了5.34 mA cm-2，在440 nm時，IPCE值可達90.8%。同時表現(xiàn)出較高的ABPE值和顯著減小的界面電荷轉(zhuǎn)移電阻。表明NiO空穴傳輸層和Co-agZIF-62催化劑促進了電荷轉(zhuǎn)移和分離，減小了電荷轉(zhuǎn)移電阻，提高了PEC水分解性能。 利用強度調(diào)制光電流光譜（IMPS）進一步研究了集成光陽極上的電荷轉(zhuǎn)移動力學，以及Co-agZIF-62催化劑和NiO空穴傳輸層對界面調(diào)節(jié)的影響。NiO空穴傳輸層加快了BiVO4向Co-agZIF-62的電荷轉(zhuǎn)移速率，Co-agZIF-62催化劑可以有效地促進電荷轉(zhuǎn)移到光陽極表面參與水氧化反應，從而減少了電荷復合。 理論計算結(jié)果表明，NiO空穴傳輸層的引入在BiVO4基底和Co-agZIF-62催化劑層之間建立了電荷轉(zhuǎn)移通道，將電荷快速轉(zhuǎn)移到Co-agZIF-62層進行PEC水氧化反應，有效抑制了電荷復合。Co-agZIF-62催化劑可以顯著降低反應能壘，加速水分解反應動力學。 綜上所述，該團隊基于MOF玻璃催化劑，結(jié)合NiO空穴傳輸層，構(gòu)建了集成Co-agZIF-62/NiO/MO光陽極。Co-agZIF-62/NiO/BiVO4光陽極在1.23 V vs. RHE下光電流密度達到了5.34 mA cm-2，光電流穩(wěn)定性顯著增強。實驗分析和密度泛函理論計算表明， Co-agZIF-62作為水氧化反應的助催化劑可以顯著促進電荷轉(zhuǎn)移和分離，提高載流子遷移，加速界面反應動力學，從而提高PEC水氧化性能。這項工作為集成光電陽極的合理設計和太陽能轉(zhuǎn)換提供了一個可行的水氧化反應助催化劑。 論文信息 Metal-Organic Framework Glass Catalysts from Melting Glass-Forming Cobalt-Based Zeolitic Imidazolate Framework for Boosting Photoelectrochemical Water Oxidation Yurou Song,? Yanhan Ren,? Huijie Cheng, Yuye Jiao, Shaobo Shi, Lihua Gao, Huimin Xie, Junfeng Gao, Licheng Sun, Jungang Hou* 該論文由大連理工大學侯軍剛教授為通訊作者，大連理工大學博士生宋雨柔和碩士生任雁涵為共同第一作者。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202306420
