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

16. Februar 2023

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von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Elektrokatalytische Sauerstoffreduktions- und -entwicklungsreaktionen finden in verschiedenen Brennstoffzellen, Metall-Luft-Batterien und in Wasserspaltungsgeräten statt. Der großflächige Einsatz von Edelmetallen und ihren Komplexen in der Industrie wird durch ihre geringe Häufigkeit und hohe Kosten begrenzt.

Kürzlich wurden mehrere Übergangsmetallkomplexe der ersten Reihe als aktive Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) identifiziert. Dennoch sind nur wenige Katalysatoren unter identischen Bedingungen sowohl für ORR als auch für OER effizient, was für den Einsatz in wiederaufladbaren Metall-Luft-Batterien von entscheidender Bedeutung ist.

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

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 of Energy einen Brief mit dem Titel „Ein Kobalt(II)-Porphyrin mit einem gebundenen Imidazol für eine effiziente Sauerstoffreduktion und Evolutionselektrokatalyse“. Chemie.

In Cytochrom-C-Oxidasen (CcOs) katalysieren Fe-Porphyrine mit einer axialen Histidin-Imidazol-Gruppe die selektive Reduktion von O2 zu Wasser. Die axiale Imidazolgruppe kann die Elektronendichte von Fe erhöhen und so die O2-Bindung und -Aktivierung am Fe-Zentrum durch einen elektronischen „Push-Effekt“ verbessern.

Inspiriert von der Natur berichten die Autoren über Co-Porphyrin 1 mit einer an das Porphyrin-Rückgrat angehängten Imidazolgruppe zur axialen Co-Bindung als aktiven bifunktionellen Elektrokatalysator für Sauerstoffreduktions- und -entwicklungsreaktionen. Darüber hinaus wurde 1 als Katalysator in Luftelektroden für Zn-Luft-Batterien verwendet. Die resultierende Zn-Luft-Batterie zeigte eine vergleichbare Leistung wie Batterien, die aus kommerziellen Pt/C- und Ir/C-Materialien hergestellt wurden.

Diese Arbeit ist von Bedeutung, da sie die wichtige Rolle axialer Liganden bei der Verbesserung von ORR und OER hervorhebt und die potenziellen Anwendungen molekularer Katalysatoren in elektrokatalysebasierten Energieumwandlungs- und Speichertechnologien zeigt.

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