清华大学罗三中课题组：有机小分子催化的电解水析氢反应

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清华大学罗三中课题组：有机小分子催化的电解水析氢反应

来源：清华大学 2024-09-18

导读：电解水析氢反应（HER）作为一种清洁能源的获取方式，已经引起了广泛关注，它为绿色能源的未来发展开辟了新的前景。然而，目前HER催化剂的研究和应用主要集中在过渡金属基材料上，能否实现无金属有机小分子催化析氢反应，不仅具有重要的学术意义，极大的拓展了有机小分子催化的适用范畴，也为绿氢制造提供了有机小分子催化的新思路。

正文

清华大学罗三中课题组一直致力于仿生小分子催化研究（Acc. Chem. Res. 2015, 48, 986-997; Acc. Chem. Res. 2024 , 57, 10, 1523–1537），先后发展了三类新型的有机小分子催化体系。近日，该课题组的研究团队在小分子能源转化方面取得了突破性的进展，团队用无金属氮杂环磷（NHPs）类小分子有机催化剂实现高效异相电催化析氢反应（图1）。该催化剂在电解水制氢过程中展现出了非凡的催化性能，其最大电流密度可达130 mA·cm^-2，且所需的过电位低至354 mV，法拉第效率高达90%。化学加_合成化学产业资源聚合服务平台，欢迎下载化学加APP关注。

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图1. 课题设计及NHP电催化性能测试

接下来，团队证实活性中间体NHP-1H与硫酸反应可以释放出氢气（图2A）。并提供了在酸性电化学条件下，对于NHP-1⁺会优先得电子再得质子的实验证据（图2B）。

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图2. 机理实验

为了进一步证实反应机理，团队进行了DFT计算，计算结果如图3所示。NHP催化剂的HER过程遵循Heyrovsky型机理。即电子转移-质子转移-电子转移（ET-PT-ET）过程：NHP催化剂首先经历单电子还原，形成自由基阳离子中间体，然后质子化形成自由基阳离子，最后再次经历单电子还原形成NHP-H氢化物作为活性物种。

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图3. DFT计算

总结

综上，团队开发了有机小分子NHP作为一种有效的HER催化剂，实现了迄今为止无金属小分子催化剂的最佳活性。NHP催化剂的成功开发为HER提供了新的思路。未来，团队将进一步优化NHP催化剂的活性和稳定性，并探索其在其他电催化反应中的应用。

文献详情：

Organocatalytic Hydrogen Evolution Reaction by Diazaphospholenes.

Kaini Xu,^‡ Yu-Shan Zhang,^‡ Bing Zhong, Long Zhang,* Jin-Dong Yang,* Sanzhong Luo*

J. Am. Chem. Soc. 2024

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c10302

https://luoszgroup.com/

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来源：清华大学 2024-09-18