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Constructing Co4(SO4)4 Clusters within Metal–Organic Frameworks for Efficient Oxygen Electrocatalysis

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作者
Zuozhong Liang,Guojun Zhou,Huang Tan,Yonghong Mou,Jieling Zhang,Hongbo Guo,Shujiao Yang,Haitao Lei,Haoquan Zheng,Wei Zhang,Haiping Lin,Rui Cao
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (38): e2408094-e2408094 被引量:48
标识
DOI:10.1002/adma.202408094
摘要

Abstract Multinuclear metal clusters are ideal candidates to catalyze small molecule activation reactions involving the transfer of multiple electrons. However, synthesizing active metal clusters is a big challenge. Herein, on constructing an unparalleled Co 4 (SO 4 ) 4 cluster within porphyrin‐based metal–organic frameworks (MOFs) and the electrocatalytic features of such Co 4 (SO 4 ) 4 clusters for the oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) is reported. The reaction of Co II sulfate and metal complexes of tetrakis(4‐pyridyl)porphyrin under solvothermal conditions afforded Co 4 ‐M‐MOFs (M═Co, Cu, and Zn). Crystallographic studies revealed that these Co 4 ‐M‐MOFs have the same framework structure, having the Co 4 (SO 4 ) 4 clusters connected by metalloporphyrin units through Co─N pyridyl bonds. In the Co 4 (SO 4 ) 4 cluster, the four Co II ions are chemically and symmetrically equivalent and are each coordinated with four sulfate O atoms to give a distorted cube‐like structure. Electrocatalytic studies showed that these Co 4 ‐M‐MOFs are all active for electrocatalytic OER and ORR. Importantly, by regulating the activity of the metalloporphyrin units, it is confirmed that the Co 4 (SO 4 ) 4 cluster is active for oxygen electrocatalysis. With the use of Co porphyrins as connecting units, Co 4 ‐Co‐MOF displays the highest electrocatalytic activity in this series of MOFs by showing a 10 mA cm −2 OER current density at 357 mV overpotential and an ORR half‐wave potential at 0.83 V versus reversible hydrogen electrode (RHE). Theoretical studies revealed the synergistic effect of two proximal Co atoms in the Co 4 (SO 4 ) 4 cluster in OER by facilitating the formation of O─O bonds. This work is of fundamental significance to present the construction of Co 4 (SO 4 ) 4 clusters in framework structures for oxygen electrocatalysis and to demonstrate the cooperation between two proximal Co atoms in such clusters during the O─O bond formation process.
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