基于铜的水氧化电催化剂的机理研究

【作者】 毛秋云； 杨茜茜； 安晓婷； 李熙琛； 谭宏伟； 陈光巨；

【机构】 北京师范大学化学学院；

【摘要】 现如今,由于环境问题的影响,如何发展清洁能源以及存储能源显得非常关键。太阳能是最丰富的可再生资源,由于它的间歇性,在催化剂的作用下通过对太阳能的利用将水分解为氢气和氧气则是解决能源存储问题的有效途径。在这一过程中,发展满足过电位低、稳定性强、高转化速率特点的高效人工仿生催化剂显得尤为重要。2012年,Mayer课题组发现了第一例具有电催化活性的基于铜的分子催化剂[（bpy）Cu（OH）₂]^[1],该催化剂在pH>12的环境下,TOF=100 s^-1,基于最大的反应电流过电位高达850mv。2014年,林文斌课题组报道了羟基引入联吡啶配体与Cu配位的催化剂,6,6’-dihydroxy-2,2’-bipyridine^[2]。在催化过程中,由于羟基参与了PCET（质子耦合电子转移）过程,使得过电位有了明显降低。该催化剂TOF=0.4 s^-1,过电位为640mv。本工作中利用DFT方法对这两种催化剂的反应过程进行了理论计算,揭示了这两种催化剂的反应机理,并发现在6,6’-dihydroxy-2,2’-bipyridine催化剂中,CuⅢ-OH·是形成O-O的关键中间体。此外,通过对两种催化剂催化过程的分析及反应能垒的对比,发现羟基参与了反应并有利于反应的进行。更多还原