一种新开发的五核铁配合物（Fe5-PCz(ClO₄)₃）可以提供高效、稳定和具有成本效益的水氧化解决方案。通过电化学聚合该配合物，东京科学研究所的研究人员获得了一种基于聚合物的催化剂poly-Fe5-PCz，并在严格条件下实现了高达99%的法拉第效率和卓越的稳定性。这一突破为稀有金属催化剂提供了一种可扩展的替代方案，推动了氢气生产和可再生能源的能源存储。
水氧化在可再生能源技术中扮演着至关重要的角色，尤其是在氢气生产和人工光合作用中。通过将水分解为氧和氢，它提供了一种清洁、可持续的能源来源。然而，在人工催化体系中尤其是在水相环境中复制自然光合体系的效率和稳定性仍然是一个重大挑战。基于稀有和昂贵金属（如钌）的催化剂在水氧化中显示了高活性，但由于其成本和有限的可用性，在大规模使用方面并不实际。
为了解决这个问题，来自东京科学研究所的近藤美夫教授领导的研究团队开发了一种使用丰富金属的更可持续和经济高效的催化系统。他们的研究成果发表于《自然通讯》上。
该研究介绍了一种新型的五核铁配合物Fe5-PCz(ClO₄)₃，具备多核配合物基础的催化活性位点和用于电荷转移位点的前体部分。近藤解释道：“通过电化学聚合这个多核铁配合物，我们创造了一种基于聚合物的材料，增强了电催化活性和长期稳定性。这种方法结合了自然系统的优点和人工催化剂的灵活性，为可持续能源解决方案铺平了道路。”
研究人员通过有机反应（如溴化、亲核取代、铃木偶联反应和随后的络合反应）合成了Fe5-PCz(ClO₄)₃配合物。合成的配合物通过质谱、元素分析和单晶X射线结构分析进行了表征。然后，研究人员通过循环伏安法和控制电位电解法聚合Fe5-PCz，修改了玻璃碳和氧化铟锡电极，以获得基于聚合物的催化剂poly-Fe5-PCz。通过电化学阻抗谱和氧气演化反应（OER）实验评估poly-Fe5-PCz的电荷转移能力和电催化性能，氧气产量通过气相色谱法定量。
结果非常乐观。近藤解释道：“在水相介质中，poly-Fe5-PCz实现了高达99%的法拉第效率，这意味着几乎所有施加的电流都用于OER。该系统还表现出比相关系统更高的稳健性和在严格测试条件下的反应速率。此外，poly-Fe5-PCz显示出增强的能量存储潜力和改善的电极兼容性，使其适用于广泛的可再生能源应用。”通过长期控制电位实验进一步确认了其高稳定性，这是氢气生产和能源存储技术的一个关键优势。
这项研究的发现对可持续能源具有重要意义。使用铁——一种丰富且无毒的金属——确保该系统既环保又具有成本效益，为珍贵金属催化剂提供了可行的替代方案。其在操作条件下的稳定性解决了人工催化系统中的一个主要挑战，在这些系统中，催化剂的长期降解往往限制了性能。此外，该系统在水相环境中的性能使其适合水分解的应用。
“优化poly-Fe5-PCz的合成和可扩展性可能进一步增强其性能，为工业规模的氢气生产和能源存储铺平道路。我们的研究为将该系统整合到更广泛的能源技术中开启了新的可能性，为更可持续的未来铺平了道路。”近藤总结道。
