含铜多金属氧酸盐在中性条件下电催化水氧化的研究

氢能具有清洁无污染、燃烧值高等特点，已成为最具吸引力的用于替代化石燃料的新型能源。制备氢气的最佳选择之一即为裂解水，其中电化学水分解的方法是目前最为理想的制备途径之一。然而，析氧反应作为水分解的半反应是一个需要高能量的逐步反应，由此成为影响水分解整体效率的关键。高效及稳定的电催化水氧化催化剂的开发与研究是改善能源转化效率的重点。目前，一些基于贵金属的催化剂，如Ru、Ir、RuO₂以及IrO₂都在酸性或碱性溶液中具有高效的电催化水氧化能力。然而这类催化剂的投入成本较高，而且反应溶液的排放对环境会造成污染，以上两点都违背了新型能源的设计理念。因此，在中性条件下开发基于廉价过渡金属的水氧化催化剂尤为重要。

最近，兰州大学的丁勇（点击查看介绍）课题组合成了一种Cu取代的多金属氧酸盐：[Sb₂W₁₈Cu₃O₆₆(H₂O)₃]^12- (1)，首次在中性条件下将其应用到电催化体系中进行析氧反应。1是由两种Na₉[SbW₉O₃₃] Keggin基团组成，每个基团中的SbO₃四面体都被多个WO₆八面体包围。三个Cu²⁺将以上两个Keggin基团连接起来，并与三个Na⁺依次排布，组成D_3h对称的聚多阴离子。1在pH为7.1的条件下不仅具有电催化析氧能力，而且在催化过程中依然保持着优良的稳定性。作者利用扫描电镜和能量色散X射线谱证实了反应后的工作电极表面没有其他多相活性物种生成，而相应的简单金属盐CuCl₂在催化过程中却产生了其他的多相物种。随后他们利用循环伏安、恒电压电解以及电化学阻抗的方法证实了1和CuCl₂不管是在催化活性还是催化行为上都有明显的区别。另一方面，他们通过研究1产生的催化电流分别与催化剂浓度、缓冲溶液浓度以及循环伏安扫速之间的关系，进一步确证了1的析氧反应动力学。

该论文作者为：Li Yu, Junqi Lin, Min Zheng, Mindong Chen and Yong Ding

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Homogeneous electrocatalytic water oxidation at neutral pH by a robust trinuclear copper(II)-substituted polyoxometalate

Chem. Commun., 2018, 54, 354, DOI: 10.1039/C7CC08301G

导师介绍

丁勇

http://www.x-mol.com/university/faculty/11248