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基础院崔春华教授团队在《自然·通讯》发表研究论文
文:基础与前沿研究院 图:基础与前沿研究院 来源:基础与前沿研究院 时间:2023-09-06 4084

  近日,基础与前沿研究院崔春华教授团队在《自然·通讯》(Nature Communications)发表了题为“Self-adaptive amorphous CoOxCly electrocatalyst for sustainable chlorine evolution in acidic brine”的研究论文,提出了自适应催化剂的设计理念,通过在阳极极化条件下稳定无定型钴基氯氧化物催化剂,并以酸化海水为电解质,获得了100%的产氯选择性。

  基础院2020级博士研究生肖梦君和2020级博士研究生吴千宝为论文共同第一作者。基础院崔春华教授为论文通讯作者。电子科技大学基础与前沿研究院为论文第一作者单位。

  氯气是一种重要的化学品,广泛应用于水处理、消毒用品和高分子材料合成等。目前,氯气主要依靠氯碱电化学合成,普遍采用昂贵的钌铱氧化物组成的尺寸稳定阳极(DSA电极)作为催化剂。然而,由于酸性条件下发生竞争析氧反应,氯气纯度较低。此外,阳极极化会促使催化剂表面非晶化并与腐蚀性氯离子结合,导致活性成分溶解,稳定性往往很低。因此,开发以非贵金属氧化物为基础的新工艺,来实现酸化海水产氯的高选择性和长效稳定性对实现高效经济的氯碱工业至关重要。

  该研究工作基于最简单的电化学配体取代,促使催化剂在酸化海水条件下自发生长沉积,获得具有自适应能力的无定型钴基氯氧化合物CoOxCly催化剂。该体系可以根据所选电化学条件,包括极化电位、溶液pH值和电解质浓度等,自动调节电沉积过程和初始化钴的价态。研究发现,氯离子Cl-本身除了作为反应物,还扮演了多种角色(如图1所示):在电化学条件下促进催化剂CoOxCly的沉积;在催化过程中的自发引入使CoOxCly转变为无定型结构;压制催化反应过程中Co的价态,从而抑制析氧反应,提高产氯选择性。此外,Cl-的引入改变产氯反应催化路径,使活性位点从Co*转变为Co-O*,进一步降低催化过电位,促进产氯反应电催化。

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图1. 自适应沉积催化过程中Cl-与金属氧化物之间的作用机制

  该自适应催化剂展现出高选择性和长效稳定性。如图2所示,该催化剂在海水Cl-浓度(0.5 M)条件下可以达到~100%的选择性,且在1.67VRHE的恒电位条件下稳定运行超过500小时(理论上无限稳定),并逐渐适应给定的电化学条件,最终趋于最佳状态,过电位仅为~100 mV。

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图2. CER性能评估和比较

  该工作提供了一种新的研究范例,即在苛刻的电化学条件下,把直觉上无法稳定存在的催化剂,通过以自动适应电化学环境的理念来实现催化剂的稳定负载,为在强酸性条件下稳定非贵金属氧化物催化剂提供了一条新的途径。同时,这项工作也指出,在将可溶性物质或分子归类为均相催化剂之前,务必对催化剂系统进行严格的原位表征。

  该工作受到国家自然科学基金项目支持(22072013、22372027)。

  崔春华,电子科技大学教授、博士生导师。2017年加入电子科技大学基础与前沿研究院,建立分子电化学实验室,旨在通过模型催化剂结合原位电化学谱解决小分子电催化转化相关的科学问题,做无法被AI取代的学术研究。截至目前,在Science, Nature Mater., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊上共发表论文90余篇,撰写2部英文著作章节。文章总引用>6800次,引用超过100次论文20篇,单篇最高引用>1000次,H因子40。主持国家自然科学基金(面上),参与科技部重点研发计划。担任Nature Nano., Nature Catal., Nature Commun., Angew. Chem.等多个国际期刊审稿人。担任《Chinese Chemical Letters》编委、《Smart Molecules》青年编委。

  肖梦君,基础与前沿研究院2020级博士研究生,导师崔春华教授,目前主要研究内容为基于自适应催化剂概念设计和制备高活性和高稳定性催化剂,并跟踪其分子尺度演变和进化过程。现已在Nature Communications、ACS Energy Letters、ACS Catalysis等期刊上以第一作者或共同一作发表论文4篇。

  吴千宝,基础与前沿研究院2020级博士研究生,导师崔春华教授,目前研究方向为过渡金属配位环境调控与原位电化学表征,迄今已以第一作者或共同第一作者在Nature Communications、ACS Catalysis、ACS Energy Letters等期刊发表学术论文5篇。


  相关论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-41070-7

  课题组网站:https://faculty.uestc.edu.cn/cuilab




编辑:李果  / 审核:李果  / 发布:陈伟

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