昆明理工大学张利波/胡觉App. Catal. B: Environ. 低成本大规模合成高稳定性OER催化剂- 大数跨境

首页

昆明理工大学张利波/胡觉App. Catal. B: Environ. 低成本大规模合成高稳定性OER催化剂

科学材料站

2021-09-03

导读：该文章利用具有氧化态可调的过渡金属中心和大环配体框架组成的共轭芳香结构的金属多酞菁，同时实现了高活性、高稳定性的低成本FeCo-PPc OER催化剂的大规模制备。

文章信息

用于高稳定水氧化的低成本双金属聚酞菁的大规模合成

通讯作者：胡觉*，张呈旭*，张利波*

第一作者：戚强龙（硕士研究生）

单位：昆明理工大学

DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120637

研究背景

电解水是绿氢制备的核心技术，对我国碳中和战略规划的实现具有重要的意义，也是氢能经济发展的关键。然而，水电解过程中阳极缓慢的四电子转移析氧反应（OER）极大地阻碍了反应过程的实现。

目前，IrO2等贵金属氧化物已被证明是最有效的OER电催化剂，但其成本高（IrO2约500美元/克）、资源有限、稳定性差。因此，大规模合成低成本、高性能的OER催化剂是加快电解水工业化进程的关键一步。目前，提高MOFs的固有活性和暴露大量活性位点是开发高性能OER催化剂的有效策略之一。

文章简介

基于此，来自昆明理工大学的张利波、胡觉教授团队，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Large-scale synthesis of low-cost bimetallic polyphthalocyanine for highly stable water oxidation”的文章。

该文章利用具有氧化态可调的过渡金属中心和大环配体框架组成的共轭芳香结构的金属多酞菁（M-PPc），同时实现了高活性、高稳定性的低成本FeCo-PPc OER催化剂的大规模制备。

图1. 千克级FeCo-PPc催化剂制备流程示意图和样品称重图

本文要点

要点一：低成本电催化剂的千克级生产

FeCo-PPc采用一步简单的固相合成法制备，收率>90%，可以实现以0.1美元/克的超低成本大批量生产。FeCo-双金属聚酞菁（FeCo-PPc）催化剂表现出优异的OER活性。

图2. a）制备的催化剂在1.0 M KOH溶液中室温下IR校正极化曲线；b）不同过电位下的TOF值；c）大规模制备的FeCo-PPc在1.0M KOH电解液中室温下的催化稳定性；d）制备的FeCo-PPc催化剂在工业条件下（6M KOH, 85℃）的电催化稳定性。

要点二：千克级高活性电催化剂的析氧应用

FeCo-PPc在1M KOH电解液中实现电流密度为20mA/cm2和500mA/cm2时过电位分别仅需232mV和308mV。FeCo-PPc催化剂比商业IrO2的成本低约1/5000倍，TOF高24倍。在1 M KOH电解质中保持100mA/cm2的电流密度下稳定超过100h。

Fe和Co之间的电子相互作用和N原子的电负性，调节相邻原子的电子云密度，形成活性位点，促进反应物的吸附，是其优异OER活性的重要原因。

要点三：工业条件下长效稳定性

FeCo-PPc催化剂表现出非常优异的稳定性，在100 mA cm−2下催化OER反应超过100小时，性能无明显变化，甚至在6 M KOH、85℃和500 mA cm−2超高电流密度下，仍能保持长时间稳定工作。这项工作可以指导合理设计和大规模合成在工业条件下高电流密度下工作良好的电催化剂。

要点四：工业应用前景

世界经济的蓬勃发展和生活水平的大幅度提高导致能耗急剧上升，其中，化石能源是目前使用的主要能源。氢能作为备受关注的新型替代能源之一。

电化学裂解水被认为是一种实现大规模生产高纯度氢气的有效途径。然而，同时实现高活性、高稳定性、且适宜大规模合成的催化剂的设计仍是巨大的挑战。报道的双金属聚酞菁不仅合成步骤简单、成本低、高产量/率、高活性和超长稳定性。

本研究开发大规模生产的可望结合当前的电催化剂结合解决析氢/析氧反应遇到的实际问题，促进电解水工业发展。

文章链接

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