近日，中国科学院上海高等研究院曾高峰研究员和徐庆副研究员团队在电催化氧化反应（OER）和氧还原反应（ORR）双催化活性位点的新型金属有机配位聚合物的研究上取得进展，研究成果以“Metal Organic Polymers with Dual Catalytic Sites for Oxygen Reduction and Oxygen Evolution Reaction”为题发表在《碳能源》（Carbon Energy）。论文的第一作者为高研院/上海科技大学联培硕士生刘思佳和高研院/诺丁汉大学（宁波）联培博士生刘明昊。

高效的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）双功能催化剂对燃料电池、金属-空气电池和电解水的发展起着重要作用。贵金属及其氧化物因其具有较高的电催化活性而被认为是最先进的催化剂。然而，高成本和低耐久性是贵金属催化剂进一步应用的挑战。金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）作为多孔结晶材料，通过在节点或沿孔表面引入催化中心，可用于电化学催化系统。但是，MOFs的化学稳定性和COFs的电子电导率限制其活性。因此构建低成本、多催化中心、高催化活性和高稳定性的电催化剂材料意义重大。

在此背景下，该团队整合MOF和COF的优势构建了具有双催化中心（金属-N₄和金属-N₂）的新型金属有机聚合物（Co-HAT-CN和Ni-HAT-CN）来催化ORR和OER（图1）。该催化剂利用不同的金属离子和催化位点作为催化中心，具有可调的催化活性和选择性。通过对局部原子和电子结构的研究发现，Co-N与Ni-N的配位数均为3.9，表明存在M-N₄和M-N₂（M=Co，Ni）双位点，验证了M-N₄和M-N₂的构型（图2）。在饱和氧的0.1 M KOH溶液中，Co-HTA-CN的半波电位（E_1/2=0.80 V）与Pt/C相接近，Tafel斜率最低为74 mV dec^-1，表明其快速动力学性能。在1.0 M KOH溶液中Co-HTA-CN的OER（E_j10=350 mV）活性较商业RuO₂更好，且具有更低的Tafel斜率（24 mV dec^-1）。此外，通过验证催化剂的选择性与不同位点的催化作用，证明了Co-HAT-CN和Ni-HAT-CN分别通过四电子、二电子途径催化ORR，Ni-HAT-CN过氧化氢选择性超过90%。催化剂通过M-N₄位点催化ORR，M-N₄和M-N₂位点的共同作用催化OER。这项工作是统一MOF高导电性和COF高稳定性的优点作为电催化剂的突出例子，为多孔电催化剂材料的设计提供了新的思路。

该研究工作得到国家自然科学基金和上海市科委等项目的资助。

图1.催化剂的合成示意图及化学结构图。

图2. EXAFS图

文章链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.303