El grupo del Prof. Zhang Tao en el Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales de Ningbo (NIMTE) de la Academia de Ciencias de China (CAS), en colaboración con el Prof. Hou Yang de la Universidad de Zhejiang y el Prof. Xiao Jianping del Instituto de Física Química de Dalian CAS, propuso una nueva estrategia de nanoconfinamiento bidimensional (2D) para mejorar considerablemente la actividad de la reacción de evolución del oxígeno (OER) de estructuras metalorgánicas (MOF) de baja conductividad. Los resultados fueron publicados en Nature Communications.

El desarrollo de electrocatalizadores de alta eficiencia para la conversión electroquímica del agua para generar energía de hidrógeno sostenible y respetuosa con el medio ambiente ha llamado mucho la atención durante décadas.

A pesar del papel crucial que juega el OER en la división del agua, el OER en el ánodo requiere un potencial termodinámico relativamente alto para acelerar la cinética de división del agua. Gracias a la gran superficie, la porosidad ajustable, las diversas composiciones y los centros metálicos, los MOF se han convertido en candidatos prometedores para electrocatalizadores OER eficientes. Sin embargo, la conductividad intrínsecamente pobre de la mayoría de los MOF impide seriamente su actividad catalítica.

Para abordar este problema, los investigadores de NIMTE propusieron una estrategia electroquímica para confinar los MOF entre multicapas de grafeno a través del sistema electroquímico de dos electrodos, lo que dota a los MOF poco conductores de un rendimiento catalítico fuertemente mejorado.

El NiFe-MOF//G preparado muestra un sobrepotencial notablemente bajo de 106 mV para alcanzar 10 mA cm^-2, superando al NiFe-MOF prístino, así como a otros MOF informados anteriormente y sus derivados. Además, el electrodo NiFe-MOF//G es muy estable, lo que puede mantener el rendimiento durante más de 150 h a 10 mA cm^-2 sin decaimiento evidente de la actividad.

En particular, los resultados de los experimentos de espectroscopia de absorción de rayos X y los cálculos de la teoría funcional de la densidad indican que el nanoconfinamiento de las multicapas de grafeno optimiza la estructura electronica y centro de catálisis de materiales MOF con la formación de NiO altamente reactivo₆-FeO₅ especies octaédricas distorsionadas en la estructura MOF. Además, el nanoconfinamiento reduce el potencial limitante para la reacción de oxidación del agua.

La estrategia de nanoconfinamiento se puede aplicar a otros MOF variados con diferentes estructuras, mejorando en gran medida sus actividades electrocatalíticas. Mientras tanto, este trabajo desafía la concepción común de los MOF prístinos como catalizadores inertes y revela el gran potencial de aplicación de los MOF poco conductores o incluso aislantes en aplicaciones de electrocatálisis.