近日，浙江大学环境与资源学院史乐研究员团队与化学系陈志杰研究员团队合作，在高盐废水绿色资源化方面取得突破，成功开发出一种高选择性、高稳定性的共价有机框架（COF）电催化剂，为解决氯碱工业高能耗、高成本及高盐废水处理难题提供了新的方案。相关研究成果发表于国际顶级学术期刊Journal of the American Chemical Society。该研究聚焦氯碱工业中贵金属催化剂成本高、活性金属易析出等关键问题，设计并合成了一系列功能化共价有机框架材料。其中，Tp-Pa-COF在接近工业实际工况条件下，展现出优于商用贵金属催化剂的电催化析氯活性，氯气选择性接近100%，并具备优异的长期运行稳定性与成本控制潜力。该工作不仅推进了工业电催化反应的材料创新，更从工程科学与环境技术融合的角度为高盐废水电化学资源化利用提供了新的路径。通过将高盐废水转化为具有工业价值的氯气产品，实现“变废为宝”的循环经济理念，对推动氯碱工业的绿色低碳转型与高盐废水的高价值利用具有重要的环境意义。
图1. Tp-Pa-COF的合成与表征。
氯碱工业是基础化学工业的重要组成部分，析氯反应作为其核心反应长期依赖贵金属催化剂，在实际应用中面临析氧副反应竞争、贵金属资源稀缺、成本高昂以及在强酸环境下易溶解失活等多重挑战。本研究创新性地将高温、强酸下稳定的共价有机框架材料应用于析氯反应。研究结果表明，由三甲酰基间苯三酚和对苯二胺合成的Tp-Pa-COF材料，在90°C、400 mA cm-2的工业级电流密度下，过电位仅为102 mV，性能显著优于商用尺寸稳定阳极（DSA），实现了非金属催化剂在析氯反应中的性能提升，展现出替代贵金属催化剂的潜力。此外，在线差分电化学质谱等多种表征结果证实，该催化剂在宽电位窗口内对氯气的选择性高达100% ± 4%，并具备超过500小时的持续运行稳定性，展现出共价有机框架材料在苛刻电化学环境中的优异耐久性和应用潜力。机理研究进一步揭示，材料中的羰基和仲胺基团作为关键活性位点，能够优先吸附氯离子，从而打破传统析氯反应与析氧反应间之间的竞争限制。这一非金属催化剂的成功开发，为替代贵金属、实现高效低碳的氯气生产提供了新的技术路径。
图2. 室温条件下Tp-Pa-COF与DSA的电催化析氯性能对比。
图3. 工业温度条件下Tp-Pa-COF与DSA的电催化析氯性能对比。
图5. 不同条件下Tp-Pa-COF 的电化学稳定性及析氯反应选择性。
总结
本研究成功开发出一种新型共价有机框架析氯电催化剂，在工业级电流密度与温度条件下，其析氯反应性能优于商用贵金属催化剂，展现出更高的催化活性和接近100%的氯气选择性，同时兼具超长运行寿命和较低的材料成本。通过多种表征技术与理论计算相结合，研究系统揭示了其高选择性析氯机理。该工作不仅是共价有机框架材料在电催化析氯反应中的首次成功应用，也验证了非金属有机催化剂在替代贵金属催化剂、推动工业电催化过程绿色转型方面的潜力。此项技术有望为氯碱工业的低碳化升级提供新材料路径，并有望拓展至消毒、有机氯化等其他工业领域，展现出广阔的应用前景与显著的经济环境效益。
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Highly Selective and Stable Covalent Organic Framework Electrocatalyst for Sustainable Chlorine Evolution
Yunbo Dai, Zhangyi Xiong, Haoyu Yin, Chunyu Lai, Xiaole Weng, Zhijie Chen*, Le Shi*
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c13132
作者简介
戴昀伯，浙江大学环境与资源学院博士研究生。主要研究方向为高盐废水的资源化利用，在Journal of the American Chemical Society期刊发表论文1篇。
熊彰熠，浙江大学化学系博士研究生。主要研究方向为功能晶态多孔材料的设计合成及性能研究，在Journal of the American Chemical Society、ACS Central Science、CCS Chemistry、Advanced Energy Materials期刊发表论文。
陈志杰博士，浙江大学“百人计划”研究员，博士生导师，入选国家级高层次青年人才计划。2012年本科毕业于上海交通大学化学化工学院应用化学系（导师：崔勇教授），2018年博士毕业于沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）化学系（导师：Mohamed Eddaoudi教授），2018年至2021年在美国西北大学（Northwestern University）化学系从事博士后研究（合作导师：Omar Farha教授），2022年加入浙江大学化学系。主要从事功能晶态多孔材料的设计合成及性能研究。已在Science、Nature、Nature Synthesis、Nature Chemistry、Journal of the American Chemical Society、Chemical Reviews、Chem、PNAS、ACS Central Science、Accounts of Chemical Research和Advanced Materials等学术期刊发表100余篇论文，论文引用共1万多次，H-指数57。曾获得2021年MRS Postdoctoral Award、2021年度国家优秀自费留学生奖学金和2024年中国化学会菁青化学新锐奖，入选2022年度《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”亚太榜单。
https://www.x-mol.com/university/faculty/390108
史乐博士，浙江大学“百人计划”研究员，博士生导师，入选国家级高层次青年人才计划，本科毕业于哈尔滨工业大学，博士毕业于沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST），博士后任职于美国宾州州立大学（PSU）。聚焦非常规水源资源化利用技术及非二温室气体资源化利用技术开展研究，在Energy and Environmental Science、Science Advances、Journal of the American Chemical Society、Environmental Science and Technology、Water Research等期刊发表SCI论文50余篇，成果入选最新版Freeman’s Biological Science Textbook, 被美国国家科学基金官网、EurekAlert（AAAS）等多家国际媒体广泛报道，主持国家自然科学基金、浙江省重点基金等项目，担任Chinese Chemical Letters青年编委， Chemical Engineering Journal Advances客座编辑。
https://www.x-mol.com/university/faculty/423741
浙江大学环资学院史乐研究员课题组长期招收博士后研究人员（环境电化学技术、膜功能材料等相关研究背景优先），欢迎来信交流，联系方式 le.shi@zju.edu.cn
