新型催化劑使過氧化氫的生產效率達到90% 並提高了安全性和環境永續性
科學家在提高用於生產過氧化氫的電化學反應的效率方面取得了重大進展，過氧化氫是消毒、漂白和污水處理中的重要化學物質（雙氧水）。 該反應被稱為氧還原反應（ORR），透過開發一類新型的整合磁場異質分子催化劑得到了改進。
一種整合了磁性奈米粒子的新型催化劑可將過氧化氫的生產效率提高到90%，提供了更安全、更環保的方法。 圖片來源：©Hao Li et al.
傳統的過氧化氫生產方法存在一些挑戰：能源密集，濃縮產品難以安全運輸。 為了解決這些問題，研究小組研究了一種更有效率、更環保的電化學方法。
磁性奈米粒子與分子催化劑的整合： 示意圖顯示了具有聚合物保護磁性奈米粒子的CoPc/CB-Mag 催化劑，從而實現了對鈷中心的自旋態操縱。 圖片來源：©Hao Li et al.
研究小組設計了一種新型催化劑，將酞菁鈷（CoPc）分子錨定在炭黑（CB）上，然後將其與聚合物保護磁性（Mag）奈米粒子整合在一起。 這種獨特的結構能夠有效操縱鈷活性位點的自旋態，從而顯著提高催化性能。
研究人員發現，CoPc/CB-Mag 催化劑的H2O2 生產效率高達90%，顯著提高了反應效率。 值得注意的是，這種催化劑只需要極少量的磁性材料–比以前的方法少達七個數量級–使其在大規模應用中更加安全和實用。
催化性能增強： 比較結果表明，磁場整合催化劑提高了過氧化氫生產效率和氧氣進化反應性能。 圖片來源：©Hao Li et al.
「我們的綜合磁場方法可以將鈷中心從低自旋狀態轉移到高自旋狀態，而不改變其原子結構，」材料科學高等研究院（WPI-AIMR）的張迪說，」這種自旋轉變極大地提高了催化劑在氧還原和進化反應中的內在活性。
為了了解這種新型催化劑背後的基本機制，他們使用了一種稱為綜合密度泛函理論（DFT）計算的技術。 了解其工作原理和方式對未來的研究非常重要。 「我們發現，高自旋Co位點與含氧中間產物的結合力更強，這對高效催化至關重要，」李浩副教授解釋說，」磁場誘導的自旋極化還促進了反應步驟中的電子轉移和自旋轉換，提高了催化動力學性能。
這些發現可促進催化活性材料的合理設計，為生產過氧化氫和其他高附加價值化學品提供更有效率、更環保的途徑，從而推動全球在永續工業流程和碳中和能源技術方面的努力。
編譯自/ ScitechDaily