第一作者：Yusen Su, Andy Berbille, Xiao-Fen Li, Jinyang Zhang

通訊作者：王中林，朱來(lái)攀

通訊單位：中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所

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貴金屬是各個(gè)領(lǐng)域現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的核心資產(chǎn)，它們的稀缺性帶來(lái)了成本、生命周期和再利用的問(wèn)題。最近，一種利用水-固體界面上的接觸電氣化（CE）來(lái)驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)的新興催化（稱為接觸電催化，CEC ）被用于開發(fā)無(wú)金屬機(jī)械催化方法，以有效降解難降解有機(jī)化合物、產(chǎn)生過(guò)氧化氫或從廢舊鋰離子電池中浸出金屬。

本研究介紹了一種新興的CEC技術(shù)，該技術(shù)利用水-固體界面的CE來(lái)驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)展示了超聲CEC在無(wú)氧和有氧條件下成功驅(qū)動(dòng)了多種貴金屬離子（包括Ag(ac)、Rh³⁺、[PtCl₄]^2-、Ag⁺、Hg²⁺、Pd²⁺、[AuCl₄]^– 和 Ir³⁺）的還原。

通過(guò)電子順磁共振（EPR）光譜和從頭算模擬研究了氧氣對(duì)反應(yīng)的影響，并發(fā)現(xiàn)基于水-固體CE的方法能從低至0.196 ppm、高達(dá)196 ppm的合成溶液中提取金，3小時(shí)內(nèi)提取容量介于0.756-722.5 mg g^-1之間。此外，CEC還被用于設(shè)計(jì)一種無(wú)金屬、選擇性且可回收的從電子廢料水溶液中提取金的催化方法。

圖文導(dǎo)讀

圖1：在氟化乙烯丙烯(FEP)微粒存在下通過(guò)超聲波處理還原溶液中的金屬離子

圖2：催化劑和沉淀物的反應(yīng)后表征

圖3：氧氣的影響

圖4：CEC從廢CPU滲濾液中選擇性提取Au

總結(jié)展望

本研究證明了接觸-電催化（由水-固體CE催化）在室溫和壓力下從水溶液中進(jìn)行貴金屬的機(jī)械催化還原的能力。在有氧和無(wú)氧條件下，在FEP微粒存在的情況下使用超聲波從水溶液中提取銥、金、鈀、汞、銠、鉑、銀納米粒子。金可以從濃度低至0.001 mM的溶液中回收。對(duì)于某些金屬還原反應(yīng)，作者觀察到有氧和無(wú)氧條件之間存在明顯差異，可以通過(guò)氧的吸附能以及催化劑和氧之間的距離和能壘的減小來(lái)解釋，在Pd的存在下，氧和催化劑之間的距離和能壘進(jìn)一步減小。

因此，許多電子可能被高度氧化的氧而不是反應(yīng)的目標(biāo)所聚集。接觸電催化技術(shù)在從水溶液中還原貴金屬離子方面具有巨大的潛力。該技術(shù)不僅能夠有效地從低濃度溶液中提取金，而且具有操作簡(jiǎn)單、低成本、效率高和選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。未來(lái)的工作應(yīng)集中于提高CEC過(guò)程的效率，尋找比氟化聚合物更環(huán)保的新材料，并繼續(xù)探索該方法在催化和機(jī)械化學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用范圍。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Reduction of precious metal ions in aqueous solutions by contact-electro-catalysis

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48407-w