氯堿工業(yè)的工藝是能源密集型的，電解過程需耗費(fèi)巨大能量,，導(dǎo)致大量二氧化碳排放,。因此,，許多化學(xué)家一直致力于提高相關(guān)工藝的能源效率，尋找不含金屬的催化劑,，但收效甚微,。

清華大學(xué)化學(xué)系李亞棟院士、王定勝副教授團(tuán)隊(duì)將具有酰胺官能團(tuán)的有機(jī)催化劑與二氧化碳結(jié)合,，取代貴金屬催化劑實(shí)現(xiàn)析氯反應(yīng)（CER）,。研究證明有機(jī)催化劑可以用于電化學(xué)反應(yīng)，并具有廣闊的應(yīng)用前景,。

1,、急需尋找貴金屬替代品

氯堿化工在供應(yīng)生活用品和工業(yè)化學(xué)品（如消毒劑,、氯氣等）中起著主要作用，可以說,，氯堿化工是化工產(chǎn)業(yè)的支柱之一,。

但在制氯過程中，氯堿工業(yè)效率受陽極上CER催化性能的影響,。起初,，CER中應(yīng)用的陽極是石墨，成本很低,，但選擇性和耐久性較差,。

經(jīng)過多次演變，有學(xué)者提出了形穩(wěn)陽極（DSA）,，其表現(xiàn)出幾乎100%的選擇性以及超高的長(zhǎng)達(dá)十余年的耐用性,。

然而，貴金屬的大量使用限制了DSA向其他領(lǐng)域推廣和更廣泛的應(yīng)用,。因此,，開發(fā)新的非貴金屬或者無金屬催化劑，對(duì)于氯堿工業(yè)革命具有重要意義,。

“還有一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，即這一反應(yīng)的全球每年電消耗量大概在150太瓦時(shí),，約占世界發(fā)電量的1%,。如果能在這個(gè)領(lǐng)域節(jié)約一點(diǎn)點(diǎn)能量，對(duì)實(shí)現(xiàn)‘碳達(dá)峰’和‘碳中和’具有十分重要的意義,?！闭撐耐ㄓ嵶髡咄醵▌僭诮邮芄P者采訪時(shí)表示。

在他看來,，目前最大的挑戰(zhàn)是陽極高昂的價(jià)格及其很高的貴金屬載量,。

相比于氯氣的制造，氯氣如何進(jìn)行后續(xù)處理轉(zhuǎn)化更加重要,。將氯氣有效用于烯烴環(huán)氧化或者烯烴氫氯化反應(yīng)非常有意義,，因?yàn)檫@些反應(yīng)目前同樣使用了大量貴金屬催化劑。

2,、化不可能為可能

這項(xiàng)研究始于2021年3月,，其間最大難點(diǎn)就是提出這個(gè)想法——用有機(jī)小分子實(shí)現(xiàn)CER。

“這個(gè)想法打破了常規(guī),，是我們?cè)谘芯窟^程中偶然提出的,，相比之下，后續(xù)的解釋反而比較按部就班,，而邁出第一步是十分重要的,?！蓖醵▌僬f。

在想到用有機(jī)小分子實(shí)現(xiàn)CER之前,，他們查閱了海量文獻(xiàn),，并且進(jìn)行了大量嘗試，但都以失敗告終,?！爱?dāng)時(shí)我們覺得，可能不是前人沒有試過,，而是試了走不通,。我們也曾想過放棄這條路，好在我們堅(jiān)持下來了,?！蓖醵▌僬f。

經(jīng)過幾個(gè)月的摸索,，他們?cè)谝淮闻既粐L試中發(fā)現(xiàn)二氧化碳和小分子結(jié)合可以產(chǎn)生極高的活性,，這給了大家很大的鼓舞。

此后,，研究團(tuán)隊(duì)沿著這條道路不斷摸索優(yōu)化反應(yīng)條件以及制備工藝,，最終實(shí)現(xiàn)了高性能有機(jī)小分子的開發(fā)。

“我們這項(xiàng)研究最重要的一點(diǎn)就是化不可能為可能,，跳出了藩籬,，告訴大家這是可行的?！蓖醵▌僬f,，“通過推翻有機(jī)催化劑在電化學(xué)方面不如金屬有效的觀點(diǎn)，我們?yōu)閷ふ腋阋?、更?jié)能的工業(yè)制氯工藝提出了新策略,。”

CER中形成的氯自由基和酰胺自由基不僅對(duì)氯堿工業(yè)有益,，可能對(duì)有機(jī)合成也有益,，所展示的CER活性和選擇性也與傳統(tǒng)的DSA不相上下。這表明有機(jī)催化劑在要求苛刻的電化學(xué)應(yīng)用方面比通常認(rèn)為的更有前途,。

編輯和審稿人都對(duì)這項(xiàng)工作給予了高度評(píng)價(jià),。他們認(rèn)為，這項(xiàng)工作是該領(lǐng)域自DSA問世以來最重要的工作之一,。

這項(xiàng)研究首次證明了有機(jī)小分子在電催化中可以實(shí)現(xiàn)與貴金屬媲美的性能,，開啟了一扇全新的大門，為之后的研究者提供了廣闊的想象空間。

3,、引領(lǐng)電催化的研究浪潮

王定勝本科就讀于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),，后到清華大學(xué)跟隨李亞棟讀研究生。他坦言,，兩所頂尖學(xué)府的治學(xué)精神正是自己的科研法寶,。

“這兩段求學(xué)經(jīng)歷造就了我的科研人生，讓我同時(shí)具備了這兩所學(xué)府的文化底蘊(yùn)和精神力量,?？拼笕饲趭^，周末,、小長(zhǎng)假以及國(guó)慶節(jié)等假期,，科大的教室跟平日沒區(qū)別。清華人實(shí)干,，腳踏實(shí)地,，埋頭干活，這正是科研所需要的,?！蓖醵▌僬f。

王定勝性格內(nèi)向,，最大的愛好就是科學(xué)研究,。“我沒啥別的興趣愛好,，也不知道這樣是好還是不好,，但我真的樂在其中。每當(dāng)取得一點(diǎn)小小的成績(jī)時(shí),，心里就非常愉悅,?！?/p>

這次研究成果能發(fā)表在《自然》上,，王定勝很開心。但他也意識(shí)到,，在此基礎(chǔ)之上還有很多工作要做,，一切才剛剛開始。

“顯然,，在有機(jī)化學(xué),、無機(jī)化學(xué)和電化學(xué)的交叉點(diǎn)上有許多未知的機(jī)會(huì)。這項(xiàng)工作不僅開發(fā)了一種全新的氯堿催化體系,，更意味著一個(gè)全新領(lǐng)域的出現(xiàn)——將有機(jī)小分子應(yīng)用到無機(jī)電催化中,，即有機(jī)小分子電催化。這一領(lǐng)域的出現(xiàn)必將引領(lǐng)電催化的研究浪潮，這是這項(xiàng)工作最大的突破,?！蓖醵▌僬f。

他指出,，現(xiàn)有的有機(jī)小分子催化劑存在很多缺陷,。同時(shí)，商業(yè)化的一大前提是電極具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性——電極在被更換或翻新之前通常要能持續(xù)工作至少5年,。對(duì)于有機(jī)分子來說,，這樣長(zhǎng)的使用壽命是很難實(shí)現(xiàn)的，特別是電極要在高溫下暴露于氯氣和微量的氧氣中,。

“因此,，未來需要進(jìn)一步研究有機(jī)催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性?！蓖醵▌僬f,。