聚乙二醇化低共熔溶剂的形成及其应用于溶剂热制备高活性的析氧反应催化剂

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）是一种新型绿色的溶剂，又被称为类离子液体。与传统离子液体相比，低共熔溶剂以其原料廉价易得、种类繁多、合成过程简单、环境友好等优点，广泛应用于气体分离、有机分子催化以及纳米材料合成等领域。近日，中国人民大学的牟天成（点击查看介绍）团队首次提出了“聚乙二醇化低共熔溶剂”（PEGylated Deep Eutectic Solvents）的概念，并用聚乙二醇和硫脲形成了“聚乙二醇化低共熔溶剂”，在证实了新溶剂形成后，他们研究了制备新体系的性质和溶剂形成的机理，并将其进一步应用于一步溶剂热法合成一系列金属硫化物，用于高效的电催化水氧化反应。

近年来，能源危机和环境污染日益严重。电催化水分解为氢能的利用开辟了新的途径，受到科研工作者的高度关注。析氧反应动力学缓慢是电解水制氢技术中的一个瓶颈，因此开发高析氧活性、高稳定性的电催化剂具有重要意义。

牟天成团队利用低共熔溶剂制备的NiCo₂S₄催化剂具有价格低廉、合成简单、性能优异等优点。首先，将硫脲和聚乙二醇200按照摩尔比1:2简单混合搅拌即可形成低共熔溶剂体系，与聚乙二醇200相比，该体系熔点降低了29 ℃。体系对多种金属盐具有良好的溶解性，例如按照一定的摩尔比将金属镍源和钴源溶于该溶剂体系，在160 ℃下溶剂热反应16 h即可得到具有多级孔结构的NiCo₂S₄。其中，低共熔溶剂不仅作为溶剂，而且提供硫源，同时也作为形状控制剂调控合成金属硫化物。与传统硫化物材料的制备相比，该方法具有合成简单、价格低廉等优点。

此外，NiCo₂S₄具有优异的电催化析氧反应性能。在1.0 M的KOH电解液中，达到电流密度10 mA•cm^-2 时的过电势只需要320 mV。

这一成果近期发表在Green Chemistry 上，文章的第一作者是中国人民大学的博士研究生蒋静云。

该论文作者为：Jingyun Jiang, Chuanyu Yan, Xinhui Zhao, Hongxia Luo, Zhimin Xue and Tiancheng Mu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A PEGylated deep eutectic solvent for controllable solvothermal synthesis of porous NiCo₂S₄ for efficient oxygen evolution reaction

Green Chem., 2017, 19, 3023, DOI: 10.1039/C7GC01012E

牟天成博士简介

牟天成，中国人民大学化学系副教授；2004年于中科院化学所取得博士学位，2004年7月起就职于中国人民大学；研究领域是新型绿色溶剂体系的制备与应用，在相关领域发表SCI论文100余篇，包括的Chem. Rev.、Green Chem.、Chem. Commun.、ACS Appl. Mater. Interfaces 等；曾获得2016中国分析测试协会科学技术奖（CAIS）一等奖；现任RSC Advances 期刊Associate Editor、《过程工程学报》编委、北京热分析学会副理事长、中国化学会绿色化学专业委员会委员、中国化工学会离子液体专业委员会委员等。

牟天成

http://www.x-mol.com/university/faculty/14881

课题组主页

http://123.206.59.245/index.php

科研思路分析

Q：该研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：该工作是我们上一项工作的延续与升华。在前一工作中（ACS Sustainable Chem. Eng., 2016, 4, 5814），我们开发了聚乙二醇200-金属盐类离子液体，探索了该体系的理化性质，并成功地利用聚乙二醇200-AlCl₃体系作为电解液进行了铝的电沉积。基于这一体系的优良性质，我们继续开发了聚乙二醇200-硫脲低共熔溶剂用于溶解金属盐并合成多孔硫化物。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：金属硫化物的应用广泛，但是可控合成过程繁琐，往往需要合成氧化物后再加入硫源进行硫化。而多种金属硫化物同时合成的条件下，寻找简单可控的方法合成单一的金属硫化物具有很大的挑战。众所周知，低共熔溶剂是由氢键给体和受体按照一定比例混合而成，给体或受体结合的比例不同将为实验的设计带来挑战。我们根据以往研究的结论，结合本课题组的经验成功得到了聚乙二醇200与硫脲形成低共熔溶剂的准确比例，为后续实验的进行奠定了基础。氢键给体和受体按照一定的比例合成的低共熔溶剂可以发挥多重作用。

Q：该研究成果有哪些重要意义及可能的应用？

A：该研究最主要的意义在于首次提出了“聚乙二醇化低共熔溶剂”（PEGylated Deep Eutectic Solvents）的概念，当然也提供了一种价格低廉、合成简单、绿色环保、性能优异的金属硫化物的合成方法。这种电催化剂可以高效地催化水氧化反应，在氢燃料电池领域具有潜在的应用。另外，该合成方法还有望用于合成多种金属硫化物、膦化物等催化剂。