顆粒在線訊：研究背景

電解水是綠氫制備的核心技術(shù)，對(duì)我國(guó)碳中和戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義，也是氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。然而，水電解過程中陽(yáng)極緩慢的四電子轉(zhuǎn)移析氧反應(yīng)（OER）極大地阻礙了反應(yīng)過程的實(shí)現(xiàn)。

目前，IrO2等貴金屬氧化物已被證明是最有效的OER電催化劑，但其成本高（IrO2約500美元/克）、資源有限、穩(wěn)定性差。因此，大規(guī)模合成低成本、高性能的OER催化劑是加快電解水工業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵一步。目前，提高M(jìn)OFs的固有活性和暴露大量活性位點(diǎn)是開發(fā)高性能OER催化劑的有效策略之一。

文章簡(jiǎn)介

基于此，來(lái)自昆明理工大學(xué)的張利波、胡覺教授團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上發(fā)表題為“Large-scale synthesis of low-cost bimetallic polyphthalocyanine for highly stable water oxidation”的文章。

該文章利用具有氧化態(tài)可調(diào)的過渡金屬中心和大環(huán)配體框架組成的共軛芳香結(jié)構(gòu)的金屬多酞菁（M-PPc），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高活性、高穩(wěn)定性的低成本FeCo-PPc OER催化劑的大規(guī)模制備。

圖1. 千克級(jí)FeCo-PPc催化劑制備流程示意圖和樣品稱重圖

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一：低成本電催化劑的千克級(jí)生產(chǎn)

FeCo-PPc采用一步簡(jiǎn)單的固相合成法制備，收率>90%，可以實(shí)現(xiàn)以0.1美元/克的超低成本大批量生產(chǎn)。FeCo-雙金屬聚酞菁（FeCo-PPc）催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的OER活性。

圖2. a）制備的催化劑在1.0 M KOH溶液中室溫下IR校正極化曲線；b）不同過電位下的TOF值；c）大規(guī)模制備的FeCo-PPc在1.0M KOH電解液中室溫下的催化穩(wěn)定性；d）制備的FeCo-PPc催化劑在工業(yè)條件下（6M KOH, 85℃）的電催化穩(wěn)定性。

要點(diǎn)二：千克級(jí)高活性電催化劑的析氧應(yīng)用

FeCo-PPc在1M KOH電解液中實(shí)現(xiàn)電流密度為20mA/cm2和500mA/cm2時(shí)過電位分別僅需232mV和308mV。FeCo-PPc催化劑比商業(yè)IrO2的成本低約1/5000倍，TOF高24倍。在1 M KOH電解質(zhì)中保持100mA/cm2的電流密度下穩(wěn)定超過100h。

Fe和Co之間的電子相互作用和N原子的電負(fù)性，調(diào)節(jié)相鄰原子的電子云密度，形成活性位點(diǎn)，促進(jìn)反應(yīng)物的吸附，是其優(yōu)異OER活性的重要原因。

要點(diǎn)三：工業(yè)條件下長(zhǎng)效穩(wěn)定性

FeCo-PPc催化劑表現(xiàn)出非常優(yōu)異的穩(wěn)定性，在100 mA cm?2下催化OER反應(yīng)超過100小時(shí)，性能無(wú)明顯變化，甚至在6 M KOH、85℃和500 mA cm?2超高電流密度下，仍能保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。這項(xiàng)工作可以指導(dǎo)合理設(shè)計(jì)和大規(guī)模合成在工業(yè)條件下高電流密度下工作良好的電催化劑。

要點(diǎn)四：工業(yè)應(yīng)用前景

世界經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和生活水平的大幅度提高導(dǎo)致能耗急劇上升，其中，化石能源是目前使用的主要能源。氫能作為備受關(guān)注的新型替代能源之一。

電化學(xué)裂解水被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)高純度氫氣的有效途徑。然而，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高活性、高穩(wěn)定性、且適宜大規(guī)模合成的催化劑的設(shè)計(jì)仍是巨大的挑戰(zhàn)。報(bào)道的雙金屬聚酞菁不僅合成步驟簡(jiǎn)單、成本低、高產(chǎn)量/率、高活性和超長(zhǎng)穩(wěn)定性。

本研究開發(fā)大規(guī)模生產(chǎn)的可望結(jié)合當(dāng)前的電催化劑結(jié)合解決析氫/析氧反應(yīng)遇到的實(shí)際問題，促進(jìn)電解水工業(yè)發(fā)展。

文章鏈接：

Qianglong Qi, Jue Hu*, Hongchuan Song, Shixing Wang, Yaochun Yao, Thiquynhxuan Le, Wei Li, Chengxu Zhang*, Libo Zhang,* et al. Large-scale synthesis of low-cost bimetallic polyphthalocyanine for highly stable water oxidation. Applied Catalysis B: Environmental. 299 (2021) 120637.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120637