DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120209

鉴于可持续能源转换技术的重要性，大力开发析氧反应（OER）、析氢反应（HER）和氧还原反应（ORR）的高性能三元催化剂具有重要意义。本文提出了一种多步骤方法以在空心碳纳米纤维毡上合成基于铁掺杂铜钴硒化物的模板化载体金属-有机框架（MOFs）（Fe掺杂MOF CuCoSe@HCNFs），并将其用作三功能电催化剂。在纳米多孔电催化剂的合成方法中，羟基氧化金属通常作为形成多孔碳网络的牺牲模板。对所合成的材料进行了全面的表征，结果表明，模板化MOFs对多孔碳网络、表面积、表面缺陷和界面电荷转移有着显著影响。铁掺杂MOF CuCoSe@HCNF纳米结构的优良三功能电催化剂对OER具有出色的电化学活性，在20mA/cm2下的过电位为260mV，在10mA/cm2下的HER过电位为181mV，ORR半波电位为0.756V（vs RHE）。Fe掺杂MOF CuCoSe@HCNF纳米结构的出色活性主要归因于其独特的结构特征，从而导致电极与电解质界面之间的良好电子转移，成功实现了三功能电催化分解水。

图1.（a）CuCo NWs，（b）MOF CuCo NWs，（c）MOF CuCo PBA NWs和（d）Fe掺杂MOF CuCoSe纳米结构的（A）XRD和（B）拉曼光谱。

图2.（A）HCNFs，（B）CuCo NWs@HCNFs，（C）MOF CuCo NWs@HCNFs，（D）MOF CuCoPBA@HCNFs和（E）Fe掺杂MOF CuCoSe@HCNFs的FESEM图像。（F）EDX图像，插图为元素组成，（G）铁掺杂MOF CuCoSe@HCNFs中Co（H），Cu（I），Fe（J），Se（K），C（L），N（M）和O（N）的元素映射图像。

图3.（A-B）不同放大倍数的TEM图像，（D，E）高分辨率TEM图像和平面间距，（F）SAED环形图谱和（E-K）TEM元素图。（L）Fe掺杂MOF CuCoSe纳米结构的TEM EDX图像。HCNFs（M）和Fe掺杂MOF CuCoSe纳米结构（N）的AFM图像。

图4.Fe掺杂MOF CuCoSe纳米结构中Cu2p（A），Co2p（B），Fe2p（C）和Se（3d）的高分辨率XPS光谱。

图5.（A）当扫描速率为50mV/s时，Fe掺杂MOF CuCoSe纳米结构在N2（a）和（b）O2饱和0.1M KOH溶液中的CV曲线。（B）不同材料在O2饱和溶液中的LSV曲线，扫描速率为10mV/s。（C）当扫描速率为10mV/s时，铁掺杂MOF CuCoSe纳米结构在O2饱和0.1M溶液中不同旋转速率下的LSV曲线。（D）由（C）中LSV曲线得出不同电位下的K-L图。（E）Fe掺杂MOF CuCoSe纳米结构和Pt/C的Tafel图。（F）铁掺杂MOF CuCoSe纳米结构的循环稳定性研究。

图6.（A）当扫描速率为5mV/s时，各种OER催化剂在1M KOH溶液中的极化曲线。（B）由（A）（a）铁掺杂MOF CuCoSe@HCNFs，（b）IrO2，（c）MOF CoCuSe，（d）MOF CoCuPBA@HCNFs，（e）MOF CoCu NWs@HCNFs，（f）CoCu NWs@HCNFs，（g）HCNFs以及（h）碳布衍生的OER催化剂的相应Tafel斜率。（C）在260mV的恒定OER过电位下，Fe掺杂MOF CuCoSe@HCNFs在50h内的CA长期稳定性测试。插图：铁掺杂MOF CuCoSe@HCNFs在1000次循环之前和之后的LSV循环稳定性实验。（D）当扫描速率为5mV/s时，不同HER催化剂在1M KOH溶液中的极化曲线。（E）由（D）（a）Pt/C，（b）铁掺杂MOF CuCoSe@HCNFs，（c）MOF CoCuSe，（d）MOF CoCuPBA@HCNFs，（e）MOF CoCu NWs@HCNFs，（f）CoCu NWs@HCNFs，（g）HCNFs，以及（h）碳布衍生的HER催化剂的相应Tafel斜率。（F）铁掺杂MOF CuCoSe@HCNFs在181mV的恒定HER过电位下持续50h的CA长期稳定性测试。插图：铁掺杂MOF CuCoSe@HCNFs在1000次循环之前和之后的LSV循环稳定性实验。

图7.（A）当扫描速率为5mV/s时，在1M KOH溶液中Fe掺杂MOF CuCoSe@HCNFs（+）//Fe掺杂MOF CuCoSe@HCNFs（-）的全电池LSV图。（B）在不同电流密度下两电极电池电压的直方图。（C）两电极水解电池产生O2（阳极）和H2（阴极）的数字图像。（D）铁掺杂MOF CuCoSe@HCNFs在1M KOH溶液中于1.57V下30h的两电极CA长期稳定性研究。（E）水分解装置产生的H2和O2量，在1.57V的恒定过电位下，用实验和理论方法测定气体体积随时间的变化。（F）实验过程中两电极水解电池产生O2（阳极）和H2（阴极）的数字图像。