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第一作者：郭学成
通讯作者：李新勇教授
通讯单位：大连理工大学
原文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c08188
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大连理工大学李新勇教授课题组长期专注于碳基催化剂对Cl-VOCs的电催化转换研究。近日，该课题组在碳材料电催化1,2-二氯乙烷还原脱氯（DCE）方面的研究中取得新进展，相关成果发表于国际著名期刊ACS Sustain. Chem. Eng.上。作者通过定向冷冻铸造和MOFs衍生的方式制备了不同孔隙结构的碳气凝胶。证明了各类孔隙结构对电催化脱氯性能的影响。最终发现，有序分级孔结构具有最优的电化学脱氯性能。
背景介绍
Cl-VOCs的催化转化一直是环境领域的一个研究重点。1,2-二氯乙烷作为一种常用的典型Cl-VOCs，已经被多国列入优先控制污染物名单，具有较高的研究价值。该课题组之前的研究发现电催化还原能高效地去除1,2-二氯乙烷的氯原子，得到高附加值的乙烯，同时实现了1,2-二氯乙烷污染控制和资源化利用的目的。
碳气凝胶是一种具有三维互联网络结构的一种材料，相比较于一般粉末状催化剂而言，它可以作为一体式独立电极存在，具有更好的导电性。但是碳气凝胶不同孔隙结构的表现的活性差异尚不明确。本研究中作者创新运用了冷冻铸造和MOFs衍生相结合的方式构建不同孔隙结构的碳气凝胶。最终证明不同孔隙结构表现出不同的电催化脱氯活性。
本文亮点
采用冷冻铸造和MOFs衍生的协同方法构建不同孔隙结构的碳气凝胶，最后证明有序分级孔碳气凝胶表现出最优的电化学脱氯性能。
图文解析
作者利用冷冻铸造和MOFs衍生的协同方法构建有序分级孔碳气凝胶。如图2所示，碳气凝胶横切面呈现波浪状的层状结构，通过孔径分布图，我们发现MOFs衍生的碳气凝胶的微孔和介孔的数量有着明显增加。通过压力测试，有序分级孔碳气凝胶表现出优良的机械性能，为其成为一体式电极提供了条件。同时，通过XPS，XRD和Raman分析发现，排除了元素组成，晶体结构和缺陷程度对电化学活性的影响。
Figure 1. (a) Schematic illustration of the preparation of OHPCA. Mechanical performance of (b-d) DCA and (e-g) OHPCA
Figure 2. SEM images under different magnifications of OHPCA (a-b)cross section. (c-d) TEM images of OHPCA
Figure 3. (a) Pore size distribution curves, (b) XPS surveyspectra, (c) Raman spectra of OHPCA, HPCA, OPCA, and DCA.
作者采用三电极单室体系进行性能测试。首先在变电位测试中，通过CV曲线可知，DCE被成功还原，还原峰在−2.75 V (vs SCE) 左右。同时，CV曲线的峰电流可以大致比较反应活性，结果说明孔隙结构对活性有较大的影响。通过LSV和阻抗分析发现，有序分级孔可以减小材料的电阻，减少电荷的传输距离，从而提升材料的电荷转化效率。综合各项性能测测试，不同孔隙结构呈现：有序分级孔>分级孔>有序孔>无序孔。
Figure 4. (a) Schematic illustration for DCE dechlorination. (b)Cyclic voltammetry curves, (c) LSV curves and (d) impedance spectra of OHPCA,HPCA, OPCA, and DCA.
利用恒电压进一步对不同孔隙结构的碳气凝胶进行电化学活性测试。结果发现电压越高，乙烯的产率越大，在−2.75V (vs SCE)时达到最大。通过比较几种材料的乙烯产率，电流密度，法拉第效率和乙烯的选择性，其大小顺序为：有序分级孔>分级孔>有序孔>无序孔。与前文的性能测试结果相一致。
为了探索催化剂的稳定性，我们先探索了反应过程中氯离子浓度与乙烯产量的变化，发现产物对乙烯的产生无明显影响。其次，通过循环实验和24h的稳定性实验，我们发现有序分级孔碳气凝胶无论是乙烯的产率，法拉第效率和电流的传输性能均有较强的稳定性。最后，我们对反应后的材料进行形貌表征。发现有序孔分级孔结构得到很好地保留。
Figure 5. (a) Production rate and selectivity of OHPCA. (b) Currentdensity and (c) FEethylene of different catalysts under different potentials. (d) Production rate and selectivity of catalysts at −2.75 V (vs SCE).
Figure 6. (a) Concentration of Cl− in the electrolyte solution and Production rate during the DCE dechlorination process. (b) Long-term electrochemical test of different catalysts and (c) cycling experiments. (d) SEM image after electrochemical test of OHPCA.
原文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c08188
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