Ein Kobalt(II)-Porphyrin mit einem gebundenen Imidazol für eine effiziente Sauerstoffreduktion und Elektrokatalyse

10. November 2022

von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Kürzlich veröffentlichten Rui Cao und Weiqiang Zhang von der Shaanxi Normal University, Shunichi Fukuzumi und Wonwoo Nam von der Ewha Womans University und andere im Journal einen Brief mit dem Titel „Ein Kobalt(II)-Porphyrin mit einem angebundenen Imidazol für eine effiziente Sauerstoffreduktion und Evolutionselektrokatalyse“. der Energiechemie.

Elektrokatalytische Sauerstoffreduktions- und -entwicklungsreaktionen werden in verschiedenen Brennstoffzellen, Metall-Luft-Batterien und Wasserspaltungsgeräten eingesetzt. Der großflächige Einsatz von Edelmetallen und ihren Komplexen in industriellen Anwendungen wird durch ihre geringe Häufigkeit und hohen Kosten begrenzt. Allerdings wurden kürzlich mehrere Übergangsmetallkomplexe der ersten Reihe als aktive Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) identifiziert. Dennoch sind nur wenige dieser Katalysatoren unter den gleichen Bedingungen sowohl für die ORR als auch für die OER effizient, was für ihre Verwendung in wiederaufladbaren Metall-Luft-Batterien von entscheidender Bedeutung ist.

Co-Porphyrine wurden auch umfassend als Katalysatoren für die O2-Reduktion untersucht. Zusätzlich zur ORR haben sich Co-Porphyrine als effiziente OER-Elektrokatalysatoren erwiesen. Trotz dieser Erfolge besteht immer noch Bedarf an der Entwicklung von Co-Porphyrinen mit hoher Aktivität und Stabilität sowohl für die elektrokatalytische Sauerstoffreduktion als auch für die Sauerstoffentwicklung unter denselben Bedingungen.

In Cytochrom-C-Oxidasen (CcOs) katalysieren Fe-Porphyrine mit einer axialen Histidin-Imidazol-Gruppe die selektive Reduktion von O2 zu Wasser. Die axiale Imidazolgruppe erhöht die Elektronendichte des Fe und verstärkt dadurch die O2-Bindung und -Aktivierung am Fe-Zentrum durch einen elektronischen „Push-Effekt“ (Abb. 1a).

Inspiriert von der Natur berichten die Autoren über ein Co-Porphyrin 1 mit einer an das Porphyrin-Rückgrat angehängten Imidazolgruppe für die axiale Co-Bindung als aktiven bifunktionellen Elektrokatalysator für die Sauerstoffreduktions- und -entwicklungsreaktionen (Abb. 1b). Darüber hinaus wurde 1 als Katalysator der Luftelektrode zum Aufbau von Zn-Luft-Batterien verwendet.

Die resultierenden Zn-Luft-Batterien zeigten eine vergleichbare Leistung wie solche, die aus kommerziellen Pt/C- und Ir/C-Materialien hergestellt wurden. Diese Arbeit ist wichtig, um die wichtige Rolle axialer Liganden bei der Verbesserung der ORR und OER zu unterstreichen und die potenziellen Anwendungen molekularer Katalysatoren in elektrokatalysebasierten Energieumwandlungs- und Speichertechnologien aufzuzeigen.

Mehr Informationen: Xialiang Li et al, Ein Kobalt(II)-Porphyrin mit einem gebundenen Imidazol für eine effiziente Elektrokatalyse zur Sauerstoffreduktion und -entwicklung, Journal of Energy Chemistry (2022). DOI: 10.1016/j.jechem.2022.10.010

Zur Verfügung gestellt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften