科研前沿：Ru@NiFe-MOF/NF高效双功能电催化剂
2026-05-07 · 系列介绍 · 百灵威授权转载
近日，Frontiers of Materials Science 期刊报道了景德镇陶瓷大学与清华大学合作团队的一项突破性研究。该团队通过一种简便的一步溶剂热法，成功在泡沫镍（NF）上制备了钌纳米颗粒修饰的镍铁金属-有机框架纳米片（Ru@NiFe-MOF/NF）。该催化剂在碱性条件下对析氧反应（OER）和析氢反应（HER）均表现出卓越的催化活性和稳定性，为高效水电解制氢提供了新的材料解决方案。
一．创新合成策略：泡沫镍扮演双重角色
本研究最大的创新点在于其巧妙的合成设计。团队利用泡沫镍（NF）不仅作为三维导电基底，更作为天然的还原剂，实现了贵金属钌（Ru）的原位自还原和负载。
具体的合成过程如下图所示：将预处理干净的NF浸入含有镍源、铁源、对苯二甲酸（PTA）配体和Ru³⁺离子的前驱体溶液中，通过一步溶剂热反应，即可在NF上直接生长出负载有Ru纳米颗粒的NiFe-MOF纳米片。
这一过程的关键在于，由于Ru³⁺/Ru的电势高于Ni²⁺/Ni，NF中的金属镍可以自发地将溶液中的Ru³⁺还原为金属Ru纳米颗粒（Ru NPs）。同时，Ni²⁺、Fe³⁺与PTA配位自组装形成NiFe-MOF纳米片。两种过程协同进行，最终形成了Ru NPs嵌入NiFe-MOF纳米片的独特异质结构。
二．精准结构解析：异质结与元素分布
通过多种表征手段，研究人员证实了Ru@NiFe-MOF/NF的成功制备及其独特的微观结构。
扫描电子显微镜（SEM）图像显示，原始的NiFe-MOF在NF上生长为表面光滑的三维互联纳米片网络。而引入Ru之后，纳米片表面变得明显粗糙，这直观地证明了Ru纳米颗粒的成功修饰与嵌入。
进一步的透射电子显微镜（TEM）分析表明，平均直径约4纳米的Ru NPs均匀分布在MOF纳米片上。高分辨TEM图像清晰地展示了Ru NPs与NiFe-MOF基底之间的界面结构，预示着强相互作用的存在。元素映射分析则证实了Ni、Fe、Ru、O、C元素在异质结中的均匀分布。
X射线光电子能谱（XPS）深入揭示了其电子结构。在Ru 3p谱中，可以观察到金属Ru和Ru-O键的特征峰，后者表明Ru NPs通过Ru-O键与MOF骨架中的羧基氧稳定结合。这种强电子相互作用是调控催化性能的关键。
三．卓越电催化性能：双功能活性与稳定性
电化学测试结果充分展示了Ru@NiFe-MOF/NF作为双功能催化剂的巨大优势。
在析氧反应（OER）中，Ru@NiFe-MOF/NF仅需240 mV的过电位即可达到10 mA cm⁻²的电流密度，性能优于对比样品和商业RuO₂催化剂。其Tafel斜率低至43 mV dec⁻¹，表明反应动力学极快。
在析氢反应（HER）中，达到相同电流密度所需的过电位仅为84 mV，显著低于其他对比催化剂和Pt/C基准催化剂。
更令人印象深刻的是，该催化剂在OER和HER过程中，于10 mA cm⁻²的电流密度下连续运行40小时，电位均未发生明显衰减，展现出极高的稳定性。
同时，ICP-OES分析显示，Ru@NiFe-MOF/NF中Ru含量仅为约1.05 wt%，远低于传统贵金属催化剂（如Pt/C、RuO₂）的负载量。这种低贵金属用量策略在保证优异催化性能的同时，显著降低了材料成本，具有重要的实际应用价值。
四．总结与展望
本研究通过精妙的“基底辅助原位还原”策略，成功制备了具有强界面相互作用的Ru@NiFe-MOF/NF异质结电催化剂。该工作不仅为设计低成本、高性能的双功能水电解催化剂提供了新范式，其自支撑电极结构也显示出良好的实际应用前景。
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金属前驱体
| 品名 | CAS | 货号 |
|---|---|---|
| Cobalt nitrate hexahydrate, 98%, ACS reagent 硝酸钴六水合物 | 10026-22-9 | 501895 危化品 |
| Nickel(II) chloride hexahydrate, 99.9% 氯化镍(II)六水合物 | 7791-20-0 | 486536 |
| Nickel(II) acetate tetrahydrate, 99%, for synthesis 乙酸镍(II) 四水合物 | 6018-89-9 | 226815 |
| Iron(III) nitrate nonahydrate, 98.5%, AR 硝酸铁(III)九水合物 | 7782-61-8 | 905552 危化品 |
| Iron(III) acetylacetonate, 98% 乙酰丙酮合铁(III) | 14024-18-1 | 165348 |
| Ruthenium(III) chloride, 99%, anhydrous 三氯化钌(III) | 10049-08-8 | 257385 |
| Cobalt nitrate hexahydrate, 98%, ACS reagent 硝酸钴六水合物 | 10026-22-9 | 501895 危化品 |
| Copper(II) nitrate trihydrate, 99%, for analysis 硝酸铜(II)三水合物 | 10031-43-3 | 491750 危化品 |
有机配体与MOF产品
| 品名 | CAS | 货号 |
|---|---|---|
| Terephthalic acid, 99% 对苯二甲酸 | 100-21-0 | 333492 |
| 1,3,5-Benzenetricarboxylic acid, 99%, reagent grade 1,3,5-均苯三甲酸 | 554-95-0 | 428249 |
| 2-Aminoterephthalic acid, 98% 2-氨基对苯二甲酸 | 10312-55-7 | 328187 |
| 2-Methylimidazole, 99% 2-甲基咪唑 | 693-98-1 | 159278 |
| Benzimidazole, 99%, reagent grade 苯并咪唑 | 51-17-2 | 199013 |
| Zinc 2-methylimidazole MOF, 98% 2-甲基咪唑锌MOF | 59061-53-9 | 807463 |
| Nano UiO-66, particle size: 100 - 200 nm, surface area: 650 - 700 m2/g, standard-microcrystal UiO-66纳米颗粒 | 1072413-89-8 | 993989 |
参考文献
- Fangqing Zou, Ye Xiao, Xianshu Qiao, Chuanjin Tian, Chang-An Wang. Facile synthesis of Ru-incorporated NiFe-MOF nanosheet heterostructures as an efficient bifunctional electrocatalyst. Frontiers of Materials Science, 2025, 19(2), 250731.
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