水氧化反應(yīng)（即氧析出反應(yīng)）是能源轉(zhuǎn)化過(guò)程的核心反應(yīng)之一，也是金屬空氣電池、水分解過(guò)程高效進(jìn)行的關(guān)鍵。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)催化劑具有超高的氧析出催化活性，但其導(dǎo)電性差，活性位暴露程度低。鈣鈦礦與導(dǎo)電骨架原位復(fù)合是在納米尺度上有效調(diào)控并提升其導(dǎo)電性的有效手段。然而，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的形成需要經(jīng)歷氧化性氣氛下的高溫煅燒，在這個(gè)過(guò)程中還原性的導(dǎo)電骨架往往被嚴(yán)重破壞。因此，氧化性活性組分與還原性導(dǎo)電骨架的原位復(fù)合存在化學(xué)本質(zhì)上的固有矛盾。
近日，清華大學(xué)化學(xué)工程系反應(yīng)工程實(shí)驗(yàn)室張強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)提出水溶液預(yù)氧化方法來(lái)解決氧化性-還原性“水火不容”的化學(xué)矛盾。選用鑭鈷鐵鈣鈦礦/泡沫鎳體系，在相對(duì)溫和的水溶液條件下，通過(guò)二電子氧還原反應(yīng)-鈷的電芬頓過(guò)程-電沉積反應(yīng)三步反應(yīng)耦合及惰性氣氛煅燒，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦前驅(qū)物與導(dǎo)電骨架的原位復(fù)合，獲得了三維納米鈣鈦礦電催化劑。該催化劑表現(xiàn)出超高的氧析出反應(yīng)活性，在10 mA cm-2的電流密度下過(guò)電位僅為350 mV，且具有恒電位下10000s電流密度不衰減的穩(wěn)定性。
該工作提出了水溶液預(yù)氧化新方法，成功制備氧化性鈣鈦礦/還原性導(dǎo)電骨架復(fù)合電催化劑，表現(xiàn)出超高的水氧化活性。這樣的合成方法學(xué)突破了氧化性-還原性復(fù)合在化學(xué)本質(zhì)上的矛盾，提供了理性設(shè)計(jì)催化體系的新思路與方法。所得的三維鈣鈦礦電催化劑也有望進(jìn)一步推動(dòng)電解水、金屬空氣電池等能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化過(guò)程的推廣和實(shí)用化。相關(guān)論文《水相預(yù)氧化法制備用于水氧化過(guò)程的鈣鈦礦電催化劑》于2016年10月發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》雜志。
該實(shí)驗(yàn)工作由清華大學(xué)化學(xué)工程系博士生李博權(quán)、唐城、王浩帆，博士后祝曉琳、教師張強(qiáng)完成。論文共同第一作者為李博權(quán)和唐城。該項(xiàng)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研基金的支持。
