具有可控晶面的Co3O4催化剂用于高性能电化学析氯反应

作     者：茆志贤 陈珊 吉加鹏 尹华杰 

作者机构：中国科学技术大学 中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所安徽省纳米材料与技术重点实验室环境与能源纳米材料研究中心材料物理重点实验室 安徽大学物质科学与信息技术研究院 中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究所 

出 版 物：《科学通报》 (Chinese Science Bulletin)

年 卷 期：2024年第69卷第25期

页      面：3748-3756页

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

基　　金：国家自然科学基金(52102325)资助 

主　　题：析氯反应 海水电解 四氧化三钴 晶面效应 非贵金属 

摘      要：电化学析氯反应（CER）是氯碱工业电解池和海水电解池的重要阳极反应,具有优异活性与稳定性的尺寸稳定阳极（DSA）是目前主要使用的CER阳极材料.然而DSA电极面临着Ru和Ir等贵金属稀缺性和昂贵价格等问题,故发展非贵金属基高性能CER电催化剂具重要意义.但当前针对非贵金属基CER催化剂相关研究仍然较少,主要挑战在于难以兼顾CER高活性和酸性电解质高氧化电位下的稳定性.本文提出对尖晶石结构的Co3O4进行晶面调控来提高其CER活性和稳定性的策略.通过诱导{112}晶面的形成以取代较为稳定{111}晶面,从而暴露出更高密度的八面体位点（Cooct）.在4 mol L-1NaCl（pH 2）作为电解质的条件下,暴露{112}晶面的Co3O4在电流密度为100 mA cm-2时的CER过电位仅为170 m V,远低于{111}晶面Co3O4的330 mV,并优于商业RuO2的320 mV.此外,其具有接近100%的法拉第效率以及优异的稳定性(在10 mA cm-2持续17 h的恒电流测试后,溶解钴浓度仅为8 ppb(1 ppb=1μg L-1)).密度泛函理论（DFT）计算也表明{112}面具有对Cl-更优的吸附能.该研究为如何利用晶面合理设计高效的Co基非贵金属CER催化剂提供新的途径.