Angew. Chem. Int. Ed. : 碱式碳酸盐为模板的普鲁士蓝类似物制备及其强劲水氧化性能

【引言】

产氧反应(OER)是一个热力学上坡反应(237 kJ·mol^-1)，涉及到多种高能中间体的参与。虽然贵金属催化剂IrO₂和RuO₂具有良好的OER活性，储量低以及高成本限制了其大规模的应用。就这一点来说，由储量丰富元素组成的高效水氧化催化剂近年来受到特别关注。特别是金属有机框架(MOFs)衍生催化剂体系，由于其活性位点数量增加，其电化学活性亦有提升。最近，普鲁士蓝衍生物(PBAs) 作为一类用于电池、超级电容器、氧还原反应等能源相关领域的新型材料，研究人员已进行了广泛研究。虽然PBAs在电化学过程中的多功能性和稳定性已进行了研究，其在水氧化领域的应用却寥寥无几。

【成果简介】

近日，韩国岭南大学宋泰燮教授(通讯作者)等报道了一种以碱式碳酸盐为模板的普鲁士蓝类似物(PBAs)的合成及其在碱性介质中良好的水氧化活性，并在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Boosting Electrochemical Water Oxidation with Metal Hydroxide Carbonate Templated Prussian Blue Analogues”的研究论文。以碱式碳酸钴为模板的t-Co^II-Co^III最优的水氧化活性为达到10 mA·cm^-2的电流密度时过电压低至240 mV。在超过50 h的计时测量中仍能产生恒定电流。此外，上述催化剂活性优于无模板制备的PBAs甚至贵金属催化剂RuO₂。光谱和微观研究表明，PBAs在电化学过程中将转化为层状氢氧化物结构并提供水氧化的活性位点。

【图文简介】

图1 材料制备过程示意图

以碱式碳酸盐为模板合成普鲁士蓝类似物以及碱性介质下电化学制氧过程中转化为分层结构的示意图。

图2 催化剂的形貌

a) t-Co^II-Co^III的SEM图像；

b) 单个立方体的TEM图像

c) t-Co^II-Co^III的HRTEM图像；

d) 相应的电子衍射图像。

图3 催化剂的电化学性能

1M KOH溶液中，t-Co^II-Co^III与其他催化剂的OER性能比较。(扫速2 mV·s^-1)

图4 催化剂在电化学过程中的形态转化

a) 超过50 h的计时测量后t-Co^II-Co^III的TEM图像；

b) t-Co^II-Co^III的HRTEM图像；

c) t-Co^II-Co^III的选区电子衍射图像。

【小结】

研究人员报道了一种以碱式碳酸盐为模板的普鲁士蓝类似物(PBAs)的合成及其在碱性介质中良好的水氧化活性。上述模板法为自支撑集成体系的构筑提供了所需的机械稳定性、电子电导率和高电化学表面积。催化剂达到10 mA·cm^-2的电流密度时过电压低至240 mV。催化剂稳定性良好，在超过50 h的计时测量中仍能产生恒定电流。高电流密度、简单的电子传递以及良好的制氧长期稳定性使模板化PBA路线适合实际应用。

文献链接：Boosting Electrochemical Water Oxidation with Metal Hydroxide Carbonate Templated Prussian Blue Analogues(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201710809)

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