ACS Catal：Pt-N4/CNT电化学制氯反应

纳米技术

2021-09-19

Cl₂是化学工业最关键的化学品之一，每年全球的Cl₂产量达到7500万吨，Cl₂广泛应用于聚合物、医药化学品、木材漂白、污水处理等。而且目前人们对Cl₂介导电催化反应产生更多关注，尤其是可能用于制备环氧乙烷和环氧丙烷。

电化学产氯反应是工业氯碱反应制备Cl₂、制备ClO^-、或者Cl₂介导电催化反应的关键，以往长期人们使用Ru基混合氧化物作为电化学产氯催化剂，目前制氯电催化剂是由RuO₂、IrO₂、TiO₂组成，这种催化剂虽然具有较好的制氯催化活性和寿命，但是其中含有30 %（原子占比）贵金属用于保证较好的导电性，而且在电催化反应过程中电催化剂的界面组成将发生改变，催化剂组成的均匀性降低。但是这种催化剂面临着产氧竞争性反应。为了解决这个竞争性催化反应问题，需要发展新型的更高选择性催化剂。

作者在之前的工作中发现Pt-N₄是一种制氯催化活性位点，这种催化位点具有较高的制氯催化活性和选择性，同时能够抑制OER竞争性反应的发生，而且能够在中性pH和较低的氯浓度保持较高的催化活性。

有鉴于此，杜伊斯堡-埃森大学Kai S. Exner、韩国国立蔚山科学技术院Sang Hoon Joo等报道发展一种新型催化剂，碳纳米管上分散原子级Pt-N₄催化位点催化剂。表现了优异的制氯催化反应活性和催化反应选择性，说明这种Pt₁/CNT催化剂是一种普适性的制氯催化剂。

本文要点：

（1）

作者通过两种方法构建Pt-N₄催化位点，分别通过自下而上的方法以H₂PtCl₆和离子液体构建催化位点、通过自上而下以Pt-卟啉实现构建催化位点，形成担载于碳纳米管上的Pt₁/CNT催化剂，在酸性电解液中表现了较高的制氯催化活性和选择性。

（2）

通过电化学表征、原位XAS表征，发现Pt₁/CNT催化剂在较低的过电势（65~90 mV）中Cl的表面覆盖度较低，反应级数表现~1.8的反应级数，其中Volmer反应步骤是绝速步骤（RDS）；在较高的过电势（>140 mV）中Cl的表面覆盖度较高，反应级数变低，决速步骤RDS变成Heyrovský反应。

这种Pt₁/CNT催化位点的催化反应动力学的变化与氧化物制氯催化剂决速步骤的变化趋势相反。

参考文献

Taejung Lim, Jae Hyung Kim, Jinjong Kim, Du San Baek, Tae Joo Shin, Hu Young Jeong, Kug-Seung Lee, Kai S. Exner*, and Sang Hoon Joo*, General Efficacy of Atomically Dispersed Pt Catalysts for the Chlorine Evolution Reaction: Potential-Dependent Switching of the Kinetics and Mechanism, ACS Catal. 2021, 11, 12232–12246

DOI: 10.1021/acscatal.1c03893

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c03893