Highly Selective and Stable Covalent Organic Framework Electrocatalysts for Sustainable Chlorine Evolution

化学 过电位 共价键 电化学 胺气处理 析氧 吸附 选择性 无机化学 金属有机骨架 贵金属 阳极 纳米技术 组合化学 金属 共价有机骨架 化学工程 氧化还原 电催化剂 有机化学 催化作用 过渡金属 化学稳定性 氧气
作者
Yunbo Dai,Zhangyi Xiong,Haoyu Yin,Chun-Yu Lai,Xiaole Weng,Zhijie Chen,Le Shi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (43): 39681-39692 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c13132
摘要

The electrochemical chlorine evolution reaction (CER) is crucial for the chlor-alkali industry but is often hindered by the competing oxygen evolution reaction (OER). The current electrocatalysts for CER have been predominantly metal-based or noble-metal-based materials, such as dimensionally stable anodes (DSAs). Herein, we synthesized a series of metal-free covalent organic frameworks (Tp-Pa-COFs), showing an unexpected CER activity with an overpotential (102 mV) lower than DSA (182 mV) at a current density of 400 mA cm-2 at 90 °C. The Tp-Pa-COF showed superior CER selectivity (100 ± 4%) and stability (over 200 h) compared to noble metal and non-noble metal catalysts. Through operando characterization and theoretical calculations, we identified carbonyl and amine groups as active sites, where preferential Cl- adsorption breaks the conventional CER-OER scaling relationship. This study highlights the potential of COF-based materials as highly efficient, sustainable alternatives for industrial chlorine production, advancing the development of metal-free electrocatalysts.
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