耶鲁/加州理工Nat. Nanotechnol.：FE近100%！CoPc/CNT助力DCA制乙烯

1, 2-二氯乙烷（DCA）的电化学定向转化，因缺乏选择性地将水溶液中DCA转化为乙烯的催化剂而存在挑战。基于此，耶鲁大学王海梁教授、Menachem Elimelech院士，加州理工学院William A. Goddard III院士（共同通讯作者）等人报道了一种由多壁碳纳米管（CNTs）负载的酞菁钴分子（CoPc）的催化剂（CoPc/CNT），以高电流和能量效率电化学分解含水DCA。在宽电势和反应物浓度范围内，生成乙烯的法拉第效率（FE）近100%。催化剂的纳米管结构使其可进一步制备成流通式的带电膜，并在实际的环境水样中进行测试，结果显示DCA去除率大于95%。

作者通过密度泛函理论（DFT）计算，以进一步了解催化机理。作者选择CoPc/石墨烯作为计算的模型系统。鉴于CNT的大直径（约20 nm）和小得多的CoPc分子（~1 nm），在这种情况下CNT结构的曲率效应可以忽略。部分态密度图和晶体轨道Hamilton分析显示，石墨烯的C原子与Co中心的e_g轨道在-0.41 eV低于费米能级。CoPc在石墨烯上的吸附伴随着0.4 e^–的转移，从石墨烯到CoPc分子，通过填充其d_z2轨道来降低Co的磁矩。

利用大正则量子力学（GCQM）计算了在外加电位下的DCA脱氯反应，分析了反应的能量学。DCA转化为乙烯包括两个电子耦合脱氯步骤，第一步形成吸附的氯乙基（*C₂H₄Cl），第二步是产生乙烯产物。

计算表明，第二次脱氯的自由能变化比第一次脱氯更有利，表明脱氯第一步在反应动力学中起主导作用。在第一步脱氯的过渡态，计算出断裂的C-Cl键长度为2.33 Å，比游离DCA分子中正常的C-Cl键长0.53 Å。随着电位从0 V降低到- 0.6 V，第一脱氯步骤的动力学自由能势垒从0.78 eV降低到0.68 eV。在室温下，在-0.3 V下的TOFs为4.9 s⁻¹，在-0.5 V下的TOFs为14.5 s⁻¹，与实验结果很吻合。

Efficient electrocatalytic valorization of chlorinated organic water pollutant to ethylene. Nat. Nanotechnol., 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01277-z.

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01277-z.

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