乔世璋Angew: Cl−辅助催化活性位点转移，实现酸性海水中持久OER

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-20 07:00

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海水直接电解法在绿色制氢过程中具有巨大的应用潜力。然而，Ca ²⁺ 、Mg ²⁺ 和Cl ⁻ 等杂质可能会导致催化剂的孔道沉淀堵塞和腐蚀。在最近的间接碱性海水电解研究中，利用高浓度碱(例如6 M KOH)在海水中预沉淀Ca ²⁺ /Mg ²⁺ 离子，从而缓解了阴极活性位点堵塞的问题。

然而，这种方法需要大量的碱，增加了反应成本。酸性环境可以显著缓解上述问题，但其仍存在阳极析出腐蚀性Cl ₂ 的问题。因此，有必要设计并开发用于酸性海水分解的高选择性析氧阳极。

近日， 阿德莱德大学乔世璋 和郑尧等合成了一种Ru _0.1 Mn _0.9 O _x 阳极催化剂，其能够在酸性海水条件下高效稳定催化OER。具体而言，研究人员选择无析氯活性的MnO ₂ 作为前体，利用Ru位点来调整Mn的电子结构，以获得优异的OER活性。

因此，所制备的Ru _0.1 Mn _0.9 O _x 催化剂在10 mA cm ⁻² 电流密度下OER过电位仅为210 mV，并能够在该电流密度下连续稳定运行超过1200小时，显示出优异的活性和稳定性。

一系列系统的表征结果显示，在酸性海水中，Cl ⁻ 离子能够稳定Ru _0.1 Mn _0.9 O _x 的Ru位点，促进OER活性位点向Mn转移，增强海水中OER的稳定性。具体而言，在无Cl ⁻ 的体系中，Ru和Mn都参与了OER过程。

然而，涉及Ru ^(4+x)+ 物种的晶格氧机制(LOM)的出现导致了高活性Mn ^(n-x)+ -O-R ^u(4+x)+ 结构的崩溃，进而使得金属溶解和催化活性降解。在酸性海水中，Cl ⁻ 很可能吸附在Ru位点上，通过阻止Ru作为OER位点来稳定Mn ^(n-x)+ -O-R ^u(4+x)+ 。在这种情况下，OER活性转移到Mn，Mn ^(n-x)+ 可以吸附*OH中间体来创造一个更有利的局部环境，抑制Cl ⁻ 的氧化。

总的来说，该项工作所提出的Cl ⁻ 辅助的催化活性位点转移和稳定策略为设计具有成本效益的阳极催化剂提供了思路，有助于推进未来直接酸性海水电解系统的进一步创新。