01

導(dǎo)讀

氧還原反應(yīng)（ORR）是綠色高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中的一個(gè)重要反應(yīng)過(guò)程。作為具有競(jìng)爭(zhēng)活性的ORR催化劑，碳基無(wú)金屬電催化劑（CMFEs）已成為傳統(tǒng)貴金屬催化劑極具前途的替代品。通常采用雜原子摻雜和結(jié)構(gòu)缺陷等調(diào)控策略提高純碳材料的催化性能。但目前缺少準(zhǔn)確控制CMFEs中活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步提高催化活性的有效策略。

共價(jià)有機(jī)框架（COFs）是一種通過(guò)共價(jià)鍵連接的多晶聚合物，其模塊化結(jié)構(gòu)可以使人們將具有明確功能的組件插入其骨架中。如在COFs有機(jī)骨架中加入雜原子來(lái)調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，這大大改善了ORR性能。根據(jù)研究，催化活性不僅受到雜原子數(shù)量和位置的影響，還受到其他因素的影響，如嵌入組件的位阻效應(yīng)、鍵合角度和分子構(gòu)型等，這些因素的存在使得研究人員不易準(zhǔn)確識(shí)別COFs的活性中心。

02

成果背景

近期，Adv.Mater.期刊上發(fā)表了一篇題為“Metal-Free Carbon-Based Covalent Organic Frameworks with Heteroatom-Free Units Boost Efficient Oxygen Reduction”的文章。該工作在無(wú)金屬碳基COFs中引入了甲基（MG），驗(yàn)證了MG可以調(diào)整芳香族聯(lián)苯骨架的電子和化學(xué)環(huán)境，且證實(shí)了與MG相鄰的碳（位點(diǎn)-5）為ORR的活性中心。

03關(guān)鍵創(chuàng)新

在無(wú)金屬碳基共價(jià)有機(jī)框架中引入甲基基團(tuán)，增強(qiáng)了分子間的極性，促進(jìn)了COF分子骨架的電荷再分配，提高了COF的導(dǎo)電特性，并促進(jìn)了氧在COF分子上的吸附活化，改善了氧氣還原動(dòng)力學(xué)。

04

核心內(nèi)容解讀

方案1.聯(lián)苯基BD-COF、MBD-COF和DAF-COF框架。@wiley

作者在溶劑熱條件下通過(guò)希夫堿縮合反應(yīng)合成了BD-COF，并在此COF中引入了甲基基團(tuán)（MGs），構(gòu)建了另外兩種COF：MBD-COF和DAF-COF。甲基基團(tuán)（MGs）只包含C和H元素，是有機(jī)化合物中的一個(gè)常見(jiàn)基團(tuán)，雖然本身是電化學(xué)惰性的，但其空間效應(yīng)可以有效調(diào)節(jié)COF單元的分子構(gòu)型和偶極矩（方案1）。所述偶極矩是表征電子分布的一個(gè)重要參數(shù)，在電催化反應(yīng)中得到了廣泛研究。MBD-COF和DAF-COF的偶極矩分別為0.54和0.75德拜，顯著大于不含MG的BD-COF（0德拜），表明引入甲基增強(qiáng)了分子間的極性，促進(jìn)了COF分子骨架的電荷再分配。且理論計(jì)算證明，三種COF具有相似的孔隙大?。▇2.5nm），引入MG對(duì)COF分子骨架影響不大。

圖1a）BD-COF、b）MBD-COF和c）DAF-COF的PXRD圖譜。@wiley

BD-COF、MBD-COF和DAF-COF的粉末X射線衍射（PXRD）圖譜在3.69°,3.42°和3.50°處有條最強(qiáng)峰，為它們的（100）晶面，表明三種COF都為層狀堆積結(jié)構(gòu)，且層間距分別為3.5,3.8,3.9埃。進(jìn)一步使用Materials Studio（MS）軟件對(duì)三種COF的晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，模擬了COF的AA-堆積和AB-堆積，結(jié)果顯示三種COF的晶格結(jié)構(gòu)都為AA-堆積。

圖2a-c）BD-COF（a）、MBD-COF（b）和DAF-COF（c）的SEM圖像和EDS圖；d）DAF-COF的低倍率TEM圖像。e）DAF-COF的高分辨率TEM圖像；f）圖2e中粉色框的放大圖像。@wiley

如掃描電子顯微鏡（SEM）圖所示，不引入甲基基團(tuán)（MG）的BD-COF直徑為100 nm、長(zhǎng)度為200 nm的納米棒團(tuán)塊，而引入MG構(gòu)建的MBD-COF由二維納米片組成的三維（3D）花狀結(jié)構(gòu)組成，DAF-COF為直徑約250 nm的相互連接的球形納米顆粒狀。C與N元素在整個(gè)COF骨架中均勻分布。通過(guò)高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察到DAF-COF的晶格間距為0.25 nm，MBD-COF為0.24 nm，BD-COF為0.21 nm。

圖3a)FT-IR譜；b)室溫下的電流-電壓曲線；c)N2下的TGA和DTG曲線；e)在77K下的N2吸脫附等溫線；f)DAF-COF在不同化學(xué)環(huán)境下處理3天后的PXRD圖。@wiley

MFMG-COF的FTIR光譜中存在特征C=N拉伸振動(dòng)模式（1625 cm-1），而二胺單體的N-H拉伸帶（3307和3376 cm-1）和TFB的C=O拉伸帶（1693 cm-1）消失，證明醛和氨基單體之間成功實(shí)現(xiàn)亞胺縮合反應(yīng)。三種COF都存在有序結(jié)構(gòu)，雙探針電流-電壓（I-V）測(cè)量結(jié)果表明經(jīng)過(guò)MG修飾的MBD-COF和DAF-COF比無(wú)MG修飾的BD-COF表現(xiàn)出更高的電導(dǎo)率。熱重分析（TGA）和衍生熱重分析（DTG）顯示，經(jīng)過(guò)MG修飾的MBD-COF和DAF-COF催化劑具有更好的熱穩(wěn)定性，說(shuō)明MG修飾有效地提高了COF框架的穩(wěn)定性。

紫外可見(jiàn)漫反射（UV-Vis DRS）可用于研究固體樣品的光吸收性能，催化劑表面過(guò)渡金屬離子及其配合物的結(jié)構(gòu)、氧化狀態(tài)、配位狀態(tài)、配位對(duì)稱性等。與不含MG的BD-COF相比，MG修飾的MBD-COF和DAF的帶隙減小，分別為2.29和2.05 eV。此外，DAF-COF在457nm處觀察到存在肩峰，表明分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移源于甲基結(jié)合的骨架的供體-受體（D-A）特性。

三種COF表現(xiàn)出相似的BET表面積，約為700m2g-1，表明甲基的修飾對(duì)比表面積產(chǎn)生的影響不大。將三種COF浸泡在6M KOH、6M HCl、乙醇和丙酮溶液中3天，COF基本保留了它們?cè)械墓羌芎途w結(jié)構(gòu)，說(shuō)明三種COF具有較高的穩(wěn)定性，這對(duì)于它們能夠?qū)崿F(xiàn)較高的ORR性能是非常重要的。

圖4a)LSV曲線；b起始電位、半波電位和電子轉(zhuǎn)移數(shù)的比較；c)Cdl值；d)Tafel圖；e)長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試；f)CH3OH中毒對(duì)DAF-COF的i-t時(shí)間測(cè)速反應(yīng)的影響；g)已報(bào)道的無(wú)金屬COF催化劑和DAF-COF的起始電位和半波電位比較；h)在DAF-COF上進(jìn)行ORR過(guò)程示意圖。@wiley

線性掃描伏安法（LSV）曲線顯示，DAF-COF比類似的COF催化劑表現(xiàn)出更好的ORR性能（起始電位和半波電位分別為0.89V和0.74V vs. RHE），這一結(jié)果是報(bào)道的MFMG-COFs作為ORR催化劑的最高值之一。相對(duì)于MBD-COF和BD-COF來(lái)說(shuō)，DAF-COF的極限電流密度也明顯增加。在0.2 V時(shí)，根據(jù)Koutecky-Levich（K-L）方程計(jì)算的電子轉(zhuǎn)移數(shù)(n)為3.88，表明其ORR過(guò)程為四電子轉(zhuǎn)移機(jī)制。

作者采用電化學(xué)雙層電容（Cdl）來(lái)估計(jì)電催化劑的電化學(xué)活性表面積（ECSA）。甲基修飾的DAF-COF具有最大的Cdl值，即5.78 mF cm-2，清楚地表明其具有較高活性位點(diǎn)密度。且DAF-COF具有最小的塔菲爾斜率，表明其在堿性條件下具有最高的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。DAF-COF在0.1M KOH電解液中反應(yīng)10h后，電流密度損失很低（5.7%），表明其具有出色的電化學(xué)穩(wěn)定性（圖4e）。在加入0.5M CH3OH溶液后，電流密度變化較小，這表明甲基修飾的DAF-COF具有優(yōu)異的耐甲醇性能（圖4f）。

圖5（a）BD-COF、（b）MBD-COF和（c）DAF-COF的LUMO和HOMO;（d）BD-COF、（e）MBD-COF和（f）DAF-COF的結(jié)構(gòu)優(yōu)化;g）BD-COF，MBD-COF和DAF-COF的態(tài)密度（DOS）和h）自由能圖（位點(diǎn)5）。@wiley

利用高斯函數(shù)計(jì)算了三種COFs的最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)和最高占據(jù)分子軌道(HOMO)。BD-COF和MBD-COF的LUMO和HOMO分別在聯(lián)苯和二甲基聯(lián)苯單元上局部離域。對(duì)于甲基修飾的DAF-COF，LUMO位于苯基核上，而HOMO位于芴基(甲基結(jié)合的聯(lián)苯)單元上，且LUMO-HOMO帶隙最小，為3.28 eV。DAF-COF中LUMO-HOMO的分布源于苯基和芴基單元之間更容易的電荷轉(zhuǎn)移。且甲基修飾的DAF-COF和MBD-COF在費(fèi)米能級(jí)附近表現(xiàn)出比不含MG的BD-COF更小的帶隙，這表明MG修飾賦予MFMG-COFs優(yōu)異的半導(dǎo)體性能(圖5g)。采用VASP估算COF框架中七個(gè)可能活性中心的ORR反應(yīng)過(guò)電勢(shì)，DAF-COF聯(lián)苯基鄰位碳原子的超電勢(shì)僅為0.97 eV，表明甲基修飾調(diào)控了COF骨架的電子分布和電荷轉(zhuǎn)移，使得此處成為活性位點(diǎn)，提高了ORR性能。

圖6（a）BD-COF、（b）MBD-COF和（c）DAF-COF模型在吸附氧氣及其中間體前后的理論拉曼光譜；（d）BD-COF、（e）MBD-COF和（f）DAF-COF在O2飽和的0.1M KOH溶液（pH=13）中，從1.0到0.4V間隔為100mV時(shí)的原位電化學(xué)拉曼光譜；g）MFMG-COFs上ORR的吸附/解吸機(jī)制示意圖。@wiley

利用DFT計(jì)算構(gòu)建了四種可能的理論吸收模型（C=C--O和C=N--O），以闡明氧氣及其氧還原反應(yīng)中間體在C=N（N）和C=C（C）位點(diǎn)的潛在吸附位置。且以O(shè)--C=C（位點(diǎn)5）為反應(yīng)活性位點(diǎn)形成了BD-COF、MBD-COF和DAF-COF模型在吸附氧氣及其中間體前后的理論拉曼光譜。電化學(xué)原位拉曼光譜顯示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型對(duì)應(yīng)良好，說(shuō)明C=C（位點(diǎn)5）確實(shí)是氧及其中間產(chǎn)物的吸附位點(diǎn)。

當(dāng)電位從1.0V逐漸下降到0.4V時(shí)，在DAF-COF的大約1069和1625cm-1處觀察到兩個(gè)峰。而在ORR過(guò)程中，O--C=C（位點(diǎn)5）理論拉曼光譜在1157和1700 cm-1處也存在這兩個(gè)峰，這兩個(gè)峰分別是OOH--C=C（位點(diǎn)5）和O2--C=C（位點(diǎn)5）的信號(hào)。然而，BD-COF和MBD-COF中只存在OOH--C=C（位點(diǎn)5）拉曼峰，這證實(shí)了甲基修飾的DAF-COF有效地促進(jìn)了氧在位點(diǎn)5碳原子上的吸附活化，從而調(diào)節(jié)了氧及其中間產(chǎn)物的吸附/解吸能力。因此，與BD-COF和MBD-COF催化劑相比，DAF-COF對(duì)氧氣及其中間體（OOH*）的良好吸附改善了氧氣還原動(dòng)力學(xué)（圖6g）。

05

成果啟示

該工作采用甲基修飾策略調(diào)節(jié)COF活性中心的電子環(huán)境，開(kāi)發(fā)了一系列具有純碳單元的無(wú)金屬COF，合成的COFs表現(xiàn)出穩(wěn)定的分子骨架、良好的電荷再分配和良好的導(dǎo)電性。甲基修飾有效地調(diào)節(jié)了COFs的帶隙，誘導(dǎo)了局部電荷的再分布，增強(qiáng)了中間產(chǎn)物的吸附，改善了催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。甲基修飾提供了一種新的策略來(lái)研究電催化劑結(jié)構(gòu)和催化活性之間的關(guān)系，并能設(shè)計(jì)出高性能的無(wú)金屬碳基電催化劑，以應(yīng)用于可再生能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存領(lǐng)域。

審核編輯 ：李倩