Electrosynthesis of chlorine from seawater-like solution through single-atom catalysts

过电位 电催化剂 催化作用 无机化学 电合成 电化学 氯 化学 选择性 氯化物 钌 化学工程 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Yangyang Liu,Can Li,Chun Hui Tan,Zengxia Pei,Tao Yang,Shuzhen Zhang,Qianwei Huang,Yihan Wang,Zheng Yu Zhou,Xiaozhou Liao,Juncai Dong,Hao Tan,Wensheng Yan,Huajie Yin,Zhao‐Qing Liu,Jun Huang,Shenlong Zhao
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1): 2475-2475 被引量:232
标识
DOI:10.1038/s41467-023-38129-w
摘要

Abstract The chlor-alkali process plays an essential and irreplaceable role in the modern chemical industry due to the wide-ranging applications of chlorine gas. However, the large overpotential and low selectivity of current chlorine evolution reaction (CER) electrocatalysts result in significant energy consumption during chlorine production. Herein, we report a highly active oxygen-coordinated ruthenium single-atom catalyst for the electrosynthesis of chlorine in seawater-like solutions. As a result, the as-prepared single-atom catalyst with Ru-O 4 moiety (Ru-O 4 SAM) exhibits an overpotential of only ~30 mV to achieve a current density of 10 mA cm −2 in an acidic medium (pH = 1) containing 1 M NaCl. Impressively, the flow cell equipped with Ru-O 4 SAM electrode displays excellent stability and Cl 2 selectivity over 1000 h continuous electrocatalysis at a high current density of 1000 mA cm −2 . Operando characterizations and computational analysis reveal that compared with the benchmark RuO 2 electrode, chloride ions preferentially adsorb directly onto the surface of Ru atoms on Ru-O 4 SAM, thereby leading to a reduction in Gibbs free-energy barrier and an improvement in Cl 2 selectivity during CER. This finding not only offers fundamental insights into the mechanisms of electrocatalysis but also provides a promising avenue for the electrochemical synthesis of chlorine from seawater electrocatalysis.
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