沈阳化工大学研发高效非贵金属氧析出电催化剂

在电化学能量转换装置中，氧析出反应（OER）往往是制约整体效率的关键动力学瓶颈。因此，开发高效且低成本的贵金属替代电催化剂，成为当前能源材料领域的核心议题。近日，沈阳化工大学刘宇、邓悦等研究人员与沈阳建筑大学于云武团队合作，在《工业与工程化学研究》期刊上发表成果，提出了一种基于含噻吩金属有机框架（MOF）的原位构建策略，成功制备出高性能的钴/硫化钴纳米颗粒嵌入氮掺杂碳复合材料（Co/CoS@N–C）。

双配体MOF前驱体的精准合成与热解机制

该研究的核心在于前驱体的分子设计。团队合成了名为Co-TDC-dpyb的金属有机框架，其中采用了噻吩-2,5-二羧酸（H2TDC）和N,N′-双(3-甲酰胺)-1,4-丁烷（3-dpyb）作为双有机配体。这种独特的结构设计不仅提供了丰富的金属活性中心，还引入了含硫和含氮的有机骨架。

通过低温热解处理，研究人员实现了前驱体的定向转化。在热解过程中，有机配发生碳化反应，形成具有良好导电性的氮掺杂碳基质；与此同时，释放出的硫物种与框架中的钴离子（Co2+）发生原位反应，生成硫化钴（CoS）纳米颗粒。这一过程巧妙地将金属钴（Co）和硫化钴（CoS）均匀嵌入到氮掺杂的碳网络中，形成了具有层次结构的复合材料。

协同效应显著提升电催化性能

电化学测试结果表明，该Co/CoS@N–C复合材料展现出卓越的氧析出催化活性。在电流密度为10 mA cm–2的标准测试条件下，其过电位仅为164.8 mV，塔菲尔斜率为131.44 mV dec–1。相比之下，未经热解处理的原始MOF前驱体性能明显逊色，这证实了热解诱导的结构演变对催化性能的显著提升作用。

此外，该催化剂在连续运行50小时后仍保持稳定的电化学性能，显示出良好的耐久性。这种优异表现得益于其独特的层级结构产生的协同效应：硫化钴纳米颗粒提供了高密度的活性位点，而氮掺杂碳基质和金属钴则有效促进了电子传输并增强了结构的机械稳定性。这种“活性位点+导电骨架”的设计思路，为克服OER反应中的电荷转移阻力提供了有效途径。

非贵金属催化剂的研发新范式

这项工作不仅验证了含硫MOF作为前驱体在制备复合电催化剂方面的潜力，更提供了一套可重复、可推广的设计策略。通过调控有机配体的种类和比例，可以进一步定制催化剂的微观结构和电子性质，从而优化催化性能。

随着全球对氢能等清洁能源需求的激增，电解水制氢技术正迎来快速发展期。然而，贵金属催化剂的高成本仍是限制其大规模商业应用的主要障碍。沈阳化工大学团队的这项研究，通过利用 abundant 的钴元素和有机框架材料的可设计性，成功开发出高性能的非贵金属电催化剂。这种基于MOF衍生材料的设计思路，不仅降低了原材料成本，还通过结构工程提升了催化效率，为未来高效、低成本电解水设备的产业化奠定了坚实的材料基础。