氧還原反應（ORR）和氧析出反應（OER）是燃料電池、金屬-空氣電池等電化學能量轉(zhuǎn)換裝置所涉及的一對可逆的電化學反應，緩慢的反應動力學與較低的反應可逆性是制約電池能量效率提升的關鍵科學問題，因此，亟需發(fā)展新型高效穩(wěn)定的雙功能電催化材料。

中國科學技術大學劉慶華研究團隊通過“光誘導晶格應變”策略，可控地將晶格應力引入到過渡金屬基金屬有機框架（TM-MOF）材料晶格中（見圖），通過調(diào)控金屬活性位點3d態(tài)的電子結(jié)構降低了電催化反應的能壘，獲得了高效雙功能氧電催化材料。

圖. 晶格應變MOF材料的結(jié)構調(diào)控

晶格應變的鎳鐵基NiFe-MOF材料對ORR與OER的比質(zhì)量活性分別為500 A gmetal-1（電勢為0.83 V）和2000 A gmetal-1（過電勢為0.30 V），比未晶格應變的NiFe-MOF材料高2個量級。

此外，晶格應變的NiFe-MOF材料在電極電勢為0.85 V和1.45 V下分別進行ORR與OER穩(wěn)定性測試，200小時后電流密度衰減僅為3%，表明晶格應變的NiFe-MOF材料具有優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。

基于合肥同步輻射光源，利用微米級水膜表面張力特性和微孔毛細滲透原理，建立了自主知識產(chǎn)權的原位同步輻射電化學傅里葉變換紅外光譜（Operando SR-FTIR）技術；采用該技術平臺，研究了晶格應變NiFe-MOF材料在工作狀態(tài)下界面活性位變化以及關鍵反應中間產(chǎn)物

發(fā)現(xiàn)隨著金屬活性中心Ni價態(tài)的升高，與四電子過程相關的氧催化反應關鍵中間產(chǎn)物*OOH形成并吸附在Ni⁴⁺高價活性中心上，從而高效地催化ORR與OER的進行（見圖）。

本工作從原子水平上闡明了晶格應變NiFe-MOF材料電催化反應的微觀機制，為設計發(fā)展新型氧電催化材料提供了理論指導。

研究成果以“Lattice-strained Metal-organic-framework arrays for Bifunctional Oxygen Electrocatalysis”（用于雙功能氧電催化的晶格應變金屬有機框架陣列）為題在Nature Energy上發(fā)表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-018-0308-8。

Cheng W, Zhao X, Su H, et al. Lattice-strained metal–organic-framework arrays for bifunctional oxygen electrocatalysis[J]. Nature Energy, 2019: 1.