Metallic two-dimensional metal-organic framework arrays for ultrafast water splitting

分解水 析氧 过电位 材料科学 化学工程 金属有机骨架 电化学 密度泛函理论 电极 纳米技术 化学 物理化学 吸附 催化作用 计算化学 生物化学 光催化 工程类
作者
Yuntong Sun,Shan Ding,Sen Xu,Jingjing Duan,Sheng Chen
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:494: 229733-229733 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2021.229733
摘要

This work reports a universal dissolution-recrystallization method to synthesize two-dimensional (2D) conductive metal-organic framework (MOF) arrays. The MOF arrays have exhibited excellent structural characteristics for electrochemical reactions, including ultrathin architecture, metallic conductivity, and hierarchical macro-/micro-porosity. Particularly, 2D nickel, iron-MOF arrays act as bifunctional electrocatalysts for water splitting, which deliver a current density of 500 mA cm−2 at an overpotential of 305 mV for anodic oxygen evolution reaction (OER), 359 mV for hydrogen evolution reaction (HER), and ~640 mV for overall reactions. The electrode also shows prolonged stability against bulk water splitting (up to 20 h at 500 mA cm−2). In addition, the water splitting system has been further coupled with commercial solar cells to simulate natural water photolysis, demonstrating a high solar-to-hydrogen efficiency of 17.69%. Mechanism study thorough density function theory (DFT) computations shows strong synergistic effect between Ni and Fe active sites that can reduce the Gibbs energy barrier of hydroxyl dissociation step (OH* → O*) during OER and H* desorption step during HER simultaneously. These promising results open up enormous opportunities of designing versatile low-dimensional conductive MOF architectures for renewable energy applications.
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