清华新闻网7月5日电 氯碱化工在工业生活和工业化学品中起着主要作用，如消毒剂、氯气等。氯碱化工是世界化学的支柱之一。而在制氯过程中，氯碱工业效率受阳极上析氯反应（CER）的催化性能的影响。起初，CER中应用的阳极首先是石墨，成本非常低，但选择性和耐久性比较差。经过多次演变，贝尔（Beer）等人提出了形稳阳极（DSA），表现出几乎100%的选择性以及超高的长达十余年的耐用性。然而，贵金属的大量使用限制了其向其他领域的推广。因此，开发新的无金属催化剂，对于氯碱工业革命具有重要意义。
经过长时间的探索和努力，清华大学化学系王定胜副教授、李亚栋院士团队发现了一种简单有效的含有酰胺基团的有机小分子催化剂，在二氧化碳的活化作用下，活性显著提高，可以实现媲美工业DSA电极的活性以及选择性。并且，虽然其稳定性不如DSA电极，但是其仍然展现了在工业条件下相对可靠的稳定性与持续产出的能力。

电解食盐水新催化剂的发现
为了验证有机小分子在CER反应中的可能性，研究团队进行了电化学性能测试，活化后的NCOOH催化剂表现出优异的析氯性能，优于最优的DSA电极。其在1000 mA·cm^-2的过电位仅为89 mV，低于目前最优的DSA电极（101 mV）。其质量活性在工作区间内基本与DSA持平。除此之外，NCOOH也展现了较好的动力学特性。在进行二氧化碳活化处理后，有机小分子的电荷转移电阻急剧减小（1.3 ohm），与DSA基本相当（3.5 ohm）。并且在稳定性以及选择性方面，NCOOH展现了接近100%的析氯选择性以及在宽温度范围下（0-90 ℃）较高的稳定性（120小时）。但是需要说明的是，NCOOH这一有机小分子催化剂并不能长时间使用，这也是日后需要提高的重点。
近年来，在国家自然科学基金、科技部重点研发计划项目的支持下，研究团队在纳米、团簇、单原子催化方面取得了系列重要进展，通过发展原子、分子尺度下的调控合成，发现其在电催化、均相催化、酶催化等方面显示出诱人的前景。相关研究表明，在原子尺度上金属单原子位点催化中心与周边的配位原子、载体的组成、结构密不可分，因此，在分子尺度下进一步探索“单分子负载催化剂”是极富挑战性的，传统金属配合物均相催化反应、有机小分子催化反应可以理解成“液相单分子催化反应”。在上述工作的启发下，团队尝试采用有机小分子吸附在电极上，发现了一种简单有效的有机小分子催化剂（可称之为“单分子负载催化剂”），在二氧化碳的活化作用下，对氯碱化工中阳极氯气析出反应表现出优异的催化性能，可以实现媲美工业电极的活性以及选择性，展现了在工业条件下相对可靠的稳定性与持续产出的能力，有望为氯碱工业的发展注入新的活力。
基于这一小分子负载电催化剂，团队研究了其机理与反应过程中催化活性的来源。与传统贵金属电极形成共价键的机理不同的是，有机小分子是通过引发形成氮自由基，进而进行单电子转移过程，将氯离子间接氧化为氯自由基，所形成的两个氯自由基进行湮灭形成氯气释放。该研究结果有望为氯碱工业节能降耗提供新的思路，同时，团队敏锐地发现可将该策略拓展运用到若干传统的金属有机 “单分子电催化反应”中，有望开创一个具有工业应用前景的“单分子电催化反应”新方向。
5月18日，相关研究以“工业条件下二氧化碳诱导的高效氯气析出反应”（CO₂-mediated organocatalytic chlorine evolution under industrial conditions）为题发表在《自然》（Nature）期刊上。
清华大学化学系王定胜副教授和李亚栋院士为共同通讯作者，清华大学化学系2018级博士研究生杨嘉睿、李文豪，广西师范大学化学与药学学院省部共建药用资源化学与药物分子工程国家重点实验室唐海涛副教授为共同第一作者。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05886-z
供稿：化学系
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年07月05日 14:32:41