Robust Th-MOF-Supported Semirigid Single-Metal-Site Catalyst for an Efficient Acidic Oxygen Evolution Reaction

催化作用 金属 析氧 配体(生物化学) 金属有机骨架 化学 联吡啶 单晶 结晶学 晶体结构 无机化学 吸附 有机化学 电化学 物理化学 受体 生物化学 电极
作者
Zhengming Gao,Yulian Lai,Lele Gong,Lipeng Zhang,Shibo Xi,Jian Sun,Linjuan Zhang,Feng Luo
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:12 (15): 9101-9113 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c02181
摘要

Constructing metal–organic framework (MOF) electrocatalysts toward an acidic oxygen evolution reaction (OER) remains a huge challenge owing to the generally poor stability of MOFs during the acidic OER process. Herein, Th-MOF-supported semirigid single-metal-site catalysts of MCl2@Th-BPYDC (M = Cu, Co, Ni) were prepared by postmetalation of a bipyridyl Th-MOF (Th-BPYDC) crystal toward an acidic OER. Impressively, the structure of the anchoring single-metal site can be well resolved by single-crystal X-ray diffraction, giving a near-square-planar MN2Cl2 coordination geometry, indicative of its potential as a double-accessible open-metal site and an unusual semirigid character because of two rotatable charge-balance Cl– anions. The optimal CoCl2@Th-BPYDC not only discloses an outstanding acidic OER activity comparable to commercial IrO2 but also exhibits a high electrocatalytic stability, which is attributed to the combination of the robust rigid Th-BPYDC framework, the strong chelating coordination between single-metal-site with bipyridine N in BPYDC ligand, and an accessible open single-metal site. More importantly, as unveiled by theoretical calculations and kinetic analysis, the single-metal-site catalysts show an unusual semirigid character during the OER process, totally different from the well-known MN4 rigid single-site catalysts since Cl atoms are found to rotate freely to provide suitable geometric space when attaching and activating reaction intermediates, thus largely reducing the reaction energy barrier.
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