“十大化合物”氯生产成本大幅降低之路已打开

Published 12 Jul.2023 14:41(KST)

Park Changhyeok 浦项工大教授与 Ju Sanghun 首尔大教授团队
揭示高性能催化剂非对称结构之谜

韩国研究团队为更廉价、更高效生产常用于杀菌、消毒的氯气打开了新途径。

韩国研究财团12日表示，由Pohang工科大学教授 Choi Changhyuk 与首尔大学教授 Joo Sanghoon 研究团队组成的联合团队，揭示了能够低成本生产氯气的高性能催化剂的非对称结构之谜。通过阐明高效制氯催化剂的设计原理，向高性能催化剂的商业化又迈进了一步。

氯气用于杀菌和消毒，是全球年产量达7500万吨、位列前十的化合物之一。氯气通过以盐水为基础的电化学工艺生产，在这一过程中，金属氧化物电极（DSA）被用作催化剂。然而，DSA以铱、钌等昂贵的贵金属为材料，价格高昂；并且当氯离子浓度较低或酸度接近中性时，会同时发生析氧反应，导致效率下降。

为实现低成本且高效的氯气生产，研究团队开发出可替代DSA的铂单原子催化剂。单原子催化剂是指金属原子以一个个分散在载体表面上的催化剂形态，每个金属原子都可作为反应位点使用，因此即便使用相同质量的贵金属，也能获得更高效率。难点在于，很难弄清楚铂单原子表现出最高性能时所对应的活性位点形态。研究团队因此启动基础研究，以厘清高性能催化剂活性位点的结构。通常认为，当铂以单原子状态存在时，会像椅子的四条腿一样，在平面上形成四个键合的对称结构，这一结构早已广为人知。团队预测，这种对称活性位点结构催化性能较低，而当对称结构被打破时，反而可能表现出更高的性能。

为验证这一点，研究团队开发出了在原子尺度上精确调控的铂单原子催化剂。通过最新的光谱分析技术对所开发的单原子催化剂结构进行解析后发现，具有四个键合的对称结构与具有三个键合的、对称性被打破的结构共存。其中，催化反应性更高的结构是非对称结构，研究团队在实验上对此进行了明确界定，并成功选择性合成了对称性被破坏的铂结构。