全文概要

浙江大学的陈志杰与史乐团队报道了一种基于共价有机框架（COF）的无金属电催化剂Tp-Pa-COF，用于高效催化氯气析出反应（CER）。该材料在工业级电流密度（400 mA cm⁻²）和高温（90°C）条件下，表现出102 mV的低过电位，显著优于商用尺寸稳定阳极（DSA，182 mV）。Tp-Pa-COF在酸性电解液中展现出接近100%的CER选择性，并具备超过200小时的长期稳定性。通过原位光谱与理论计算，研究揭示了其羰基与胺基团作为活性位点，优先吸附Cl⁻，打破了传统CER与析氧反应（OER）之间的线性标度关系。

本文要点

1. 优异电催化性能：Tp-Pa-COF在高温下具有极低的CER过电位与高选择性，优于多数金属基催化剂；其转换频率（TOF）为DSA的4.76倍。

2. 结构与机理解析：DFT计算与ATR-SEIRAS表征确认C=O与–NH₂为关键活性位点，通过Volmer–Heyrovsky路径促进Cl₂生成，有效抑制OER竞争反应。

3. 稳定性与实用性：在流动池中，Tp-Pa-COF在高达1000 mA cm⁻²电流密度下仍保持稳定，且材料成本仅为DSA的5%，具备工业化应用潜力。

4. 材料设计策略：通过引入不同官能团（–NH₂、–SO₃H、–NO₂）调控催化性能，为开发高效无金属电催化剂提供了新思路。

文献详情

Yunbo Dai, Zhangyi Xiong, Haoyu Yin, et al. Highly Selective and Stable Covalent Organic Framework Electrocatalysts for Sustainable Chlorine Evolution, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c13132

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c13132