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

1, 2-二氯乙烷（DCA）的電化學定向轉化，因缺乏選擇性地將水溶液中DCA轉化為乙烯的催化劑而存在挑戰(zhàn)。基于此，耶魯大學王海梁教授、Menachem Elimelech院士，加州理工學院William A. Goddard III院士（共同通訊作者）等人報道了一種由多壁碳納米管（CNTs）負載的酞菁鈷分子（CoPc）的催化劑（CoPc/CNT），以高電流和能量效率電化學分解含水DCA。在寬電勢和反應物濃度范圍內，生成乙烯的法拉第效率（FE）近100%。催化劑的納米管結構使其可進一步制備成流通式的帶電膜，并在實際的環(huán)境水樣中進行測試，結果顯示DCA去除率大于95%。

作者通過密度泛函理論（DFT）計算，以進一步了解催化機理。作者選擇CoPc/石墨烯作為計算的模型系統。鑒于CNT的大直徑（約20?nm）和小得多的CoPc分子（~1?nm），在這種情況下CNT結構的曲率效應可以忽略。部分態(tài)密度圖和晶體軌道Hamilton分析顯示，石墨烯的C原子與Co中心的e_g軌道在-0.41 eV低于費米能級。CoPc在石墨烯上的吸附伴隨著0.4 e^–的轉移，從石墨烯到CoPc分子，通過填充其d_z2軌道來降低Co的磁矩。

利用大正則量子力學（GCQM）計算了在外加電位下的DCA脫氯反應，分析了反應的能量學。DCA轉化為乙烯包括兩個電子耦合脫氯步驟，第一步形成吸附的氯乙基（*C₂H₄Cl），第二步是產生乙烯產物。

計算表明，第二次脫氯的自由能變化比第一次脫氯更有利，表明脫氯第一步在反應動力學中起主導作用。在第一步脫氯的過渡態(tài)，計算出斷裂的C-Cl鍵長度為2.33 ?，比游離DCA分子中正常的C-Cl鍵長0.53 ?。隨著電位從0 V降低到- 0.6 V，第一脫氯步驟的動力學自由能勢壘從0.78 eV降低到0.68 eV。在室溫下，在-0.3 V下的TOFs為4.9 s^?1，在-0.5 V下的TOFs為14.5 s^?1，與實驗結果很吻合。

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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