نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

پلیمرهای کوئوردیناسیونی متخلخل دو فلزی برپایه مس و کبالت به­ عنوان یک الکتروکاتالیست کارآمد برای اکسایش اوره

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
1 گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران
2 گروه مهندسی شیمی، واحد داراب، دانشگاه آزاد اسلامی، داراب، ایران
چکیده
در مطالعه حاضر، سنتز Cu-PCP، Co-PCP و پلیمرهای کوئوردیناسیونی متخلخل دو فلزی-آلی CuCo-PCP از طریق یک روش هیدروترمال تک مرحله‌ای با استفاده از اتصال‌دهنده‌های ۴،۴-اکسی‌بیس (بنزوئیک اسید) و N،N- بیس-(۴-پیریدیل‌فرمامید)-۱و۴-بنزن‌دی‌آمین انجام شد. فعالیت الکتروکاتالیستی عالی نسبت به اکسیداسیون اوره برای پلیمرهای کوئوردیناسیونی متخلخل دو فلزی-آلی CuCo-PCP  سنتز شده گزارش شد که دست یابی به چگالی جریان بالای mA /cm2  10 در پتانسیل V 495/1، شیب تافل mV/dec 128 و فرکانس گردش قابل توجه s-1 068/0را نشان می­ دهد. الکترولیز اوره در ولتاژ سلول کم V 53/1 به چگالی جریان mA /cm 10 دست یافت، که نشان دهنده مقادیری تقریباًmV 200 کمتر از مقادیر مورد نیاز برای الکترولیز آب معمولی است. این موضوع در حالی است که پایداری را بیش از ۴۸ ساعت در mA/cm2 50 بدون کاهش قابل توجه عملکرد، حفظ می کند. ساختارهای سه بعدی پلیمرهای کوئوردیناسیونی متخلخل دو فلزی-آلی CuCo-PCP، منجر به عملکرد کاتالیستی فوق العاده خوب آنها می ­شود که این موضوع  به دلیل در دسترس بودن مکان­ های فعال مولکولی زیاد و همچنین انتقال جرم موثر (به دلیل معماری منحصر به فرد آنها)، می­ باشد. برهمکنش هم‌افزایی بین مس و کبالت در پیکربندی پلیمرهای کوئوردیناسیونی متخلخل، انتقال سریع‌تر الکترون را تسهیل کرده و به پلیمرهای کوئوردیناسیونی متخلخل دو فلزی-آلی CuCo-PCP تازه توسعه‌یافته، پتانسیل بیشتری برای کسایش اوره و کاربردهای پیشرفته ذخیره‌سازی انرژی می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[2] Zhang Y., Du J., Shan Y., Wang F., Liu J., Wang M., Liu Z., Yan Y., Xu G., He G., Shi X., Lian Z., Yu Y., Shan W., He H., Toward Synergetic Reduction of Pollutant and Greenhouse Gas Emissions from Vehicles: A Catalysis Perspective, Chemical Society Reviews, 54: 1151-1215 (2025).
[3] Shi M.M., Bao D., Yan J.M., Zhong H.X., Zhang X.B., Coordination and Architecture Regulation of Electrocatalysts for Sustainable Hydrogen Energy Conversion, Accounts of Materials Research, 5: 160-172 (2024). 
[4] Ren J.T., Chen L., Wang H.Y., Tian W.W., Yuan Z.Y., Water Electrolysis for Hydrogen Production: From Hybrid Systems to self-Powered/Catalyzed Devices, Energy & Environmental Science, 17: 49-113 (2024).  
[7] Yang C., Zhao M., Zhang C., Zhang S., Zhu D., Guo C., An Fe-Doped Ni-Based Oxalate Framework with a Favorable Electronic Structure for Electrocatalytic Water and Urea Oxidation, Chemical Communications, 61: 141-144 (2025).  
[9] George A., Rahul S., Raj A.D., Yang Q., Jayakumar G., Photocatalytic Degradation of Dyes Using Cu3V2O8 Nanorods, Inorganic Chemistry Communications, 168: 112890 (2024).  
[10] Sanati S., Cordes D.B., Slawin A.M.Z., Qian J., Abazari R., Highly Conductive Non-Calcined 2D Cu0.3Co0.7 Bimetallic–Organic Framework for Urea Electrolysis in Simulated Seawater, Inorganic Chemistry, 64: 510-518 (2025).
[11] Wang J., Abazari R., Sanati S., Ejsmont A., Goscianska J., Zhou Y., Dubal D.P., WaterStable Flurea Oxidation Reactionous Metal–Organic Frameworks with Open Metal Sites and Amine Groups for Efficient Urea Electrocatalytic Oxidation, Small, 19: 2300673 (2023).
[12] Ding H., Zhao Z., Zeng H., Li X., Cui K., Zhang Y., Chang X., Heterojunction-Induced Local Charge Redistribution Boosting Energy-Saving Hydrogen Production Via Urea Electrolysis, ACS Materials Letters, 6: 1029-1041 (2024).
[14] Pérez-Sosa M.A., Ramírez-Meneses E., Manzo-Robledo A., Mateos-Santiago J., Hernández-Pérez M.A., Garibay-Febles V., Lartundo-Rojas L., Zacahua-Tlacuatl G., Enhanced Performance of Urea Electro-Oxidation in Alkaline Media on PtPdNi/C, PtNi/C, and Ni/C Catalysts Synthesized by One-Pot Reaction from Organometallic Precursors, International Journal of Hydrogen Energy,  46: 21419-21432 (2021).
[15] Ge J., Liu Z., Guan M., Kuang J., Xiao Y., Yang Y., Tsang C.H., Lu X., Yang C., Investigation of the Electrocatalytic Mechanisms of Urea Oxidation Reaction on the Surface of Transition Metal Oxides, Journal of Colloid and Interface Science, 620: 442-453 (2022).
[16] Tang S., Zhang Z., Lv Q., Pan X., Dong  J., Liu L., Wan Y., Han J., Song F., Heteroatom Engineering in Earth-Abundant Cobalt Electrocatalyst for Energy-Saving Hydrogen Evolution Coupling with Urea Oxidation, ACS Applied Materials & Interfaces, 16: 66008-66017 (2024).
[17] Yu X., Zhang W., Ma L., Tang J., Lu W., Li J., Zhang J., Xu X., Interfacial Engineering of a CoSe@NiFe Heterostructure Electrocatalyst for High-Efficiency Water and Urea Oxidation, Green Chemistry, 27: 31-742 (2025).
[18] Abazari R., Sanati S., Stelmachowski P., Wang Q., Krawczuk A., Goscianska J., Liu M., Water-Stable Pillared Three-Dimensional Zn–V Bimetal–Organic Framework for Promoted Electrocatalytic Urea Oxidation, Inorganic Chemistry, 63: 5642-5651 (2024).
[19] Sun H., Luo Z., Chen M., Zhou T., Wang B., Xiao B., Lu Q., Manipulating Trimetal Catalytic Activities for Efficient Urea Electrooxidation-coupled hydrogen production at Ampere-Level Current Densities, ACS Nano, 18: 35654-35670 (2024).
[21] Lingappan N., Lakshmanan S., Lee W., Multifunctional Characteristics of a One-Dimensional Bimetallic Oxyhydroxide Nanorod-Coupled Polyaniline Interface for Accelerated Water and Urea Electrolysis, Journal of Materials Chemistry A, 12: 30743-30756 (2024).   
[22] Rajaram Patil D., Patil S., Chavan H.S., Lee A.-Y., Lee K., Layered Ammonium Metal Phosphate Based Heterostructure with Phosphate–Sulfide Interfacial Synergy for Efficient Oxygen Evolution and Urea Oxidation Reactions, Sustainable Energy Fuels, 9: 1588-1595 (2025). 
[23] Sanati S., Abazari R., Kirillov A.M., Bimetallic NiCo Metal–Organic Frameworks with High Stability and Performance Toward Electrocatalytic Oxidation of Urea in Seawater, Inorganic Chemistry, 63: 15813-15820 (2024).
[24] Zhou Y., Abazari R., Chen J., Tahir M., Kumar A., Ikreedeegh R.R., Rani E., Singh H., Kirillov A.M., Bimetallic Metal–Organic Frameworks and MOF-Derived Composites: Recent Progress on Electro-and Photoelectrocatalytic Applications, Coordination Chemistry Reviews, 451: 214264 (2022).
[25] Sanati S., Abazari R., Albero J., Morsali A., García H., Liang Z., Zou R., Metal–Organic Framework Derived Bimetallic Materials for Electrochemical Energy Storage, Angewandte Chemie International Edition, 60: 11048-11067 (2021).
[26] Jiang Y., Chen T.Y., Chen J.L., Liu Y., Yuan X., Yan J., Sun Q., Heterostructured Bimetallic MOFonMOF Architectures for Efficient Oxygen Evolution Reaction, Advanced materials, 36: 2306910 (2024). 
[27] مهرعلیزاده، محمدرضا.، عبداللهی، بهمن.، رنگ زدایی ری اکتیو بلک 5 (RBS) از محلول آبی توسط فرآیند الکتروفنتون با کاتد اصلاح شده به وسیله چارچوب های فلز-آلی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 44(1): 76 تا 59 (1404).
[28] Luo J., Guo H., Zhou J., Guo F., Liu G., Hao G., Jiang W., Rational Construction of Heterogeneous Interfaces for Bimetallic MOFs-Derived/rGO Composites Towards Optimizing the Electromagnetic Wave Absorption, Chemical Engineering Journal, 429: 132238 (2022).
[29] Li J.M., Lin Q.C., Li N., Li Z.H., Tan G., Liu S.J., Chung L.H., Liao W.M., Yu L., He J., Symbiotically Reinforced Bimetallic Photocatalysis in Conjugated Metal−Organic Framework Nanosheets, Advanced Functional Materials, 33: 2210717 (2023). 
[30] Lin H.W., Senthil Raja D., Chuah X.F., Hsieh C.T., Chen Y.A., Lu S.Y., Bi-Metallic MOFs Possessing Hierarchical Synergistic Effects as High Performance Electrocatalysts for Overall Water Splitting at High Current Densities, Applied Catalysis B: Environmental, 258: 118023 (2019).
[31] Razaq R., Ud Din M.M., Småbråten D.R., Eyupoglu V., Janakiram S., Olav Sunde T., Allahgoli N., Rettenwander D., Deng L., Synergistic Effect of Bimetallic MOF Modified Separator for Long Cycle Life LithiumSulfur Batteries, Advanced Energy Materials, 14: 2302897 (2024).
[32] Jahan I., Islam M.A., Rupam T.H., Palash M.L., Rocky K.A., Saha B.B., Enhanced Water Sorption Onto Bimetallic Mof-801 for Energy Conversion Applications, Sustainable Materials and Technologies, 32: e00442 (2022).
  [33] شهراب، فاطمه.، اخباری، کامران.، بررسی بازار جهانی چارچوب‌های فلز-آلی و کاربردهای آن­ها با رویکرد صنعتی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 44(1): 46-1 (1404).
[34] Li S., Gao Y., Li N., Ge L., Bu X., Feng P., Transition Metal-Based Bimetallic MOFs and MOF-Derived Catalysts for Electrochemical Oxygen Evolution Reaction, Energy & Environmental Science, 14: 1897-1927 (2021).
[35] Luo X., Abazari R., Tahir M., Fan W.K., Kumar A., Kalhorizadeh T., Kirillov A.M., Amani-Ghadim A.R., Chen J., Zhou Y., Trimetallic Metal–Organic Frameworks and Derived Materials for Environmental Remediation and Electrochemical Energy Storage and Conversion, Coordination Chemistry Reviews, 461: 214505 (2022).
[37] Vo P., Haranczyk M., Insights Into Thermal Conductivity at the MOF-Polymer Interface, ACS Applied Materials & Interfaces, 16: 56221-56231 (2024).   
[38] Zhang Z., Han L., Tao K., MnOx-Decorated MOF-Derived Nickel–Cobalt Bimetallic Phosphide Nanosheet Arrays for Overall Water Splitting, Dalton Transactions, 53: 1757-1765 (2024).
[39] Qin C., Wang B., Wu N., Han C., Wang Y., General Strategy to Fabricate Porous Co-Based Bimetallic Metal Oxide Nanosheets for High-Performance CO Sensing, ACS applied materials & interfaces, 13: 26318-26329 (2021).
[40] Lim G.J.H., Liu X., Guan C., Wang J., Co/Zn Bimetallic Oxides Derived from Metal Organic Frameworks for High Performance Electrochemical Energy Storage, Electrochimica Acta, 291: 177-187 (2018).   
[42] Abazari R., Ahmadi Torkamani Z., Ejsmont A., Krawczuk A., Goscianska J., Varma R. S., Sanati S., Interfacial Engineering of Pillared Co (II) Metal–Organic Framework@NiMn-Layered Double Hydroxide Nanocomposite for Oxygen Evolution Reaction Electrocatalysis, Inorganic Chemistry, 64: 361-370 (2025).  
[43] Abazari R., Sanati S., Nadafan M., Cordes D.B., Slawin A.M.Z., Safin D.A., Liu M., Integration of Open Metal Sites in an Amino-Functionalized Sm (III)–Organic Framework Toward Enhanced Third-Order Nonlinear Optical Property, Inorganic Chemistry, 63:18173-18181 (2024).  
[44] Ghafarifar F., Molaie S., Abazari R., Hasan Z.M., Foroutan M., Fe3O4@Bio-MOF Nanoparticles Combined with Artemisinin, Glucantime®, or Shark Cartilage Extract on Iranian Strain of Leishmania Major (MRHO/IR/75/ER): An In-Vitro and In-Vivo Study, Iranian Journal of Parasitology, 15: 537-548 (2020).
[45] He Q., Ye N., Han L., Tao K., Sulfur Vacancy-Engineered Co3S4/MoS2-Interfaced Nanosheet Array for Enhanced Alkaline Overall Water Splitting, Inorganic Chemistry, 62: 21240-21246 (2023).
[46] Yun W.H., Das G., Kim B., Park B.J., Yoon H.H., Yoon Y.S., Ni–Fe Phosphide Deposited Carbon Felt as Free-Standing Bifunctional Catalyst Electrode for Urea Electrolysis, Scientific Reports, 11: 22003 (2021).
[47] Zhu Z., Yin H., He C.T., Al-Mamun M., Liu P., Jiang L., Zhao Y., Wang Y., Yang H G., Tang Z., Wang D., Chen X M., Zhao H., Ultrathin Transition Metal Dichalcogenide/3d Metal Hydroxide Hybridized Nanosheets to Enhance Hydrogen Evolution Activity, Advanced Materials, 30: 1801171 (2018).
[48] Andaveh R., Sabour Rouhaghdam A., Seif A., Wang K., Maleki M., Ai J., Barati Darband G., Li J., In Situ Assembly of a Superaerophobic CoMn/CuNiP Heterostructure as a Trifunctional Electrocatalyst for Ampere-Level Current Density Urea-Assisted Hydrogen Production, ACS Applied Materials & Interfaces, 16: 8717-8732  (2024).  
[49] Fathollahi A., Shahrabi T., Barati Darband G., Modulation of Active Surface Sites on Ni–Fe–S by the Dynamic Hydrogen Bubble Template Method for Energy-Saving Hydrogen Production, Journal of Materials Chemistry A, 12: 9038-9054 (2024).
[50] Han C., Zhu X., Ding J., Miao T., Huang S., Qian J., MOF-Derived Pt/ZrO2 Carbon Electrocatalyst for Efficient Hydrogen Evolution, Inorganic Chemistry, 61: 18350-18354 (2022).
[51] Yang J., Hübner R., Zhang J., Wan H., Zheng Y., Wang H., Qi H., A Robust PtNi Nanoframe/NDoped Graphene Aerogel Electrocatalyst with Both High Activity and Stability, Angewandte Chemie International Edition, 60: 9590-9597 (2021).
[52] Tran N.Q., Le Q.M., Tran T.T.N., Truong T.K., Yu J., Peng L., Le T.A., Doan T.L.H., Phan T.B., Boosting Urea-Assisted Natural Seawater Electrolysis in 3D Leaf-Like Metal–Organic Framework Nanosheet Arrays Using Metal Node Engineering, ACS Applied Materials & Interfaces, 16: 28625–28637 (2024).
[53] Huang L., Li N., Xiao J., Lou H., Xie C., Yang Y., Jiang H., Zhang W., Morphology-Controlled Nickel-Organic Framework Nanosheet Arrays for Efficient Urea Electrolysis in Alkaline Media, Journal of Electroanalytical Chemistry, 965:118363 (2024).
[54] Chai N., Kong Y., Jiang Q., Guo Q., Chen T., Ma X., Yi F.-Y., Vanadium-Doped Bimetallic Nanoporous Metal–Organic Frameworks as Bifunctional Electrocatalysts for Urea-Assisted Hydrogen Production, ACS Applied Nano Materials, 7: 14392-14405 (2024).
[55] Li Q., Zheng S., Du M., Pang H., Ultrathin Nanosheet Metal–Organic Framework@NiO/Ni Nanorod Composites, Chemical Engineering Journal, 417: 129201 (2021).
[56] Xu Y., Wang R., Feng C., Zhang X., Wang N., Zhang Q., Xie M., Xu Y., Jiao Y., Chen J., Controlling the Electronic Structure of Fe-MOF Electrocatalyst for Enhanced Water Splitting and Urea Oxidation: A Plasma-Assisted Approach, Journal of Colloid and Interface Science, 650: 1290-1300 (2023).