【催化】钴-葫芦[5]脲主客体超分子配合物作为催化剂用于水氧化反应- 大数跨境

X-MOL资讯

2020-10-23

导读：大连理工大学孙立成院士、李福胜副研究员等人通过Co2+阳离子与葫芦[5]脲自组装制备了主客体配合物，将该超分子配合物催化剂吸附到多孔氧化铟锡和多孔钒酸铋半导体电极表面，用于电催化和光电催化水氧化反应

光电催化（Photoelectrochemical，PEC）分解水产生氢气和氧气是将太阳能转化为化学燃料最理想的技术途径之一。然而，由于光阳极表面析氧反应（OER）涉及复杂的四电子转移过程导致其动力学过程非常缓慢，因此需要高活性的水氧化催化剂提高太阳能光电分解水活性。近年来，光电催化水氧化反应的光阳极多采用基于过渡金属氧化物、氢氧化物作为催化剂，超分子配合物作为催化剂用于水氧化反应鲜见报道。

近日，大连理工大学孙立成院士、李福胜副研究员等人通过Co²⁺阳离子与Cucurbit[5]uril（葫芦[5]脲, CB[5]）自组装制备了主客体配合物（Co@CB[5]），采用溶液浸泡方式将该超分子配合物催化剂吸附到多孔氧化铟锡（ITO）和多孔钒酸铋（BiVO₄）半导体电极表面，并用于电催化和光电催化水氧化反应，器件取得了优异的水氧化性能。

作者通过飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）、球差矫正投射电镜（AC-TEM）、高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、表面衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）等表征手段表明主-客体超分子配合物Co@CB[5]可以成功地吸附在多孔氧化铟锡和钒酸铋基底上并具有相当的结构稳定性。

当超分子配合物Co@CB[5]固定在多孔氧化铟锡（ITO）基底上时，这种超分子催化剂显示出极高的电催化水氧化活性：在pH 9.2硼酸盐缓冲液中，550 mV的过电位下Co@CB[5] 超分子催化剂显示出9.9 s^-1的转化频率（TOF），优于大部分已经报道非贵金属水氧化催化剂，且具有良好的稳定性。

当Co@CB[5]吸附在多孔BiVO₄型半导体表面时，Co@CB[5]/BiVO₄光阳极在100 mW•cm^-2(AM 1.5)的光照下，1.23 V（相对RHE）偏压下的光电流密度可以达到4.8 mA•cm^-2，表现出的优异PEC性能可以与基于无机材料催化剂的BiVO₄阳极媲美。动力学同位素效应（KIEs）、强度调制光电流谱（IMPS）等结果表面Co@CB[5]超分子水氧化催化剂能有效抑制BiVO₄半导体表面电荷复合，同时加速电极表面电荷转移。

Co@CB[5]主客体超分子配合物在电催化和光电催化水氧化中表现出优异的性能，为水氧化催化剂的发展开辟了新的思路。

相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Cobalt@Cucurbit[5]uril Complex as Highly Efficient Supramolecular Catalyst for Electrochemical and Photoelectrochemical Water Splitting

Fusheng Li,*† Hao Yang,† Qiming Zhuo, Dinghua Zhou, Xiujuan Wu, PeiLi Zhang, Zhaoyang Yao, Licheng Sun*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202011069

作者介绍

孙立成教授的研究兴趣包括人工光合作用，基于过渡金属配合物和氧化物/氢氧化物/硫化物的催化剂，用于水氧化，制氢和固氮，用于总水分解的功能器件，染料敏化，量子点/棒敏化太阳能电池，钙钛矿太阳能电池。他在国际期刊上发表了600多篇同行评审的科学论文，并在太阳能电池和太阳能燃料领域申请了10多项专利，在过去的几年中，他的工作被广泛引用，被引用的总数超过4.5万，并且 h指数100。他曾在许多评估委员会和其他委员会中任职，并曾在众多研究委员会（美国，欧盟，亚洲国家）担任审稿人。在过去的几年中，他在国际会议和全球大学的许多研讨会上作了100多场受邀的演讲。

https://www.x-mol.com/university/faculty/271780

https://www.kth.se/che/orgkem/research/lichengsun/2.5594/licheng-sun-1.24046

李福胜，博士，2018年任大连理工大学特聘副研究员。2004-2011年先后获大连理工大学学士和硕士学位。2011-2016年就读瑞典皇家理工学院，获得博士学位。研究内容涉及高效光生电荷分离体系构建以及光催化表面/界面反应机制，电极表面质子耦合电子转移，催化剂分子结构设计、水分解分子器件的制备以及其电极表面反应动力学和机理研究等领域。目前在Joule, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., ACS Catal., ACS Appl. Mater. Interfaces, ChemSusChem, Chem. Commun.等学术期刊发表学术论文30余篇篇。欢迎有意向同学报考。

https://www.x-mol.com/university/faculty/271781

http://faculty.dlut.edu.cn/lifusheng/zh_CN/index.htm