Порфирин кобальта(II) со связанным имидазолом для эффективного восстановления кислорода и электрокатализа выделения.

10 ноября 2022 г.

Китайской академии наук

Недавно Руй Цао и Вэйцян Чжан из Педагогического университета Шэньси, Шуничи Фукузуми и Вону Нам из Женского университета Ихва и другие опубликовали в журнале письмо под названием «Порфирин кобальта (II) со связанным имидазолом для эффективного восстановления кислорода и электрокатализа эволюции» энергетической химии.

Электрокаталитические реакции восстановления и выделения кислорода используются в различных топливных элементах, металло-воздушных батареях и устройствах для расщепления воды. Масштабное использование благородных металлов и их комплексов в промышленности ограничено их малой распространенностью и высокой стоимостью. Однако недавно было идентифицировано несколько комплексов переходных металлов первого ряда в качестве активных электрокатализаторов реакции восстановления кислорода (ORR) и реакции выделения кислорода (OER). Тем не менее, немногие из этих катализаторов эффективны как для ORR, так и для OER в одних и тех же условиях, что имеет решающее значение для их использования в перезаряжаемых металло-воздушных батареях.

Копорфирины также широко изучались как катализаторы восстановления O2. Было показано, что помимо ORR, Co-порфирины являются эффективными электрокатализаторами OER. Несмотря на эти достижения, разработка кобальт-порфиринов с высокой активностью и стабильностью как для реакций электрокаталитического восстановления кислорода, так и для реакций выделения кислорода в тех же условиях остается актуальной.

В цитохром-с-оксидазах (CcOs) Fe-порфирины с аксиальной гистидинимидазольной группой катализируют избирательное восстановление О2 до воды. Аксиальная имидазольная группа увеличивает электронную плотность Fe, тем самым усиливая связывание и активацию O2 в центре Fe за счет электронного «толкающего эффекта» (рис. 1а).

Вдохновленные природой, авторы сообщают о Co-порфирине 1 с имидазольной группой, присоединенной к основной цепи порфирина для аксиального связывания Co, в качестве активного бифункционального электрокатализатора реакций восстановления и выделения кислорода (рис. 1b). Кроме того, 1 использовался в качестве катализатора воздушного электрода, используемого для сборки Zn-воздушных батарей.

Полученные в результате Zn-воздушные батареи продемонстрировали характеристики, сравнимые с батареями, изготовленными с использованием коммерческих материалов Pt/C и Ir/C. Эта работа важна тем, что подчеркивает важную роль аксиальных лигандов в повышении ORR и OER, а также демонстрирует потенциальное применение молекулярных катализаторов в технологиях преобразования и хранения энергии на основе электрокатализа.

Больше информации: Сялян Ли и др., Порфирин кобальта (II) со связанным имидазолом для эффективного восстановления кислорода и эволюционного электрокатализа, Журнал Energy Chemistry (2022). DOI: 10.1016/j.jechem.2022.10.010

Предоставлено Китайской академией наук