清华章名田/华科廖荣臻JACS: TOF高达20000 s-1！三核铜催化剂用于电催化水氧化

太阳能驱动水分解生产氢燃料是应对未来能源危机的一个有前景的策略。自然光系统II是研究人工太阳能转化的原型模板，其能够将水转化为氧气并为燃料生产提供四个电子。虽然一系列合成分子水氧化催化剂已经发展起来，但是对这种多电子和多质子催化过程中O-O键形成的理解有限，因此水氧化仍然是一个很大的挑战。

近日，清华大学章名田、华中科技大学廖荣臻等报道了一种仿生的三核铜催化剂([(app^2-)Cu^II₃(μ-OH)](CF₃SO₃)₃(TNC-Cu))，并将其用于电催化水氧化。

在NaHCO₃溶液(1 M，pH=8.4)中，所制备的TNC-Cu在1.64 V_RHE处观察到明显的电流增强，峰值电流达1.16 mA。另外，TNC-Cu还具有相当高活性，其水氧化的周转频率(TOF)高达20000 s^-1，分别是单铜催化剂(F-N₂O₂Cu，131.6 s^-1)和双铜配合物(HappCu₂，1375 s^-1)的150倍和15倍。

实验和密度泛函理论(DFT)计算表明，该催化剂优异的水氧化活性源自多Cu氧化酶(MCOs)，TNC-Cu中三个Cu位点的协同作用在O-O键的形成中起着关键作用，其中Cu(1)和Cu(3)来稳定氧自由基和CO₃^•-自由基，而Cu(2)可以通过氧化调节催化剂的氧化还原性能。该工作说明多金属原子之间的协同配合是调控水氧化反应中生成O-O步骤的关键。

Bioinspired Trinuclear Copper Catalyst for Water Oxidation with a Turnover Frequency up to 20000 s^-1. Journal of the American Chemical Society, 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c08078

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清华章名田/华科廖荣臻JACS: TOF高达20000 s-1！三核铜催化剂用于电催化水氧化

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