8-羥基喹啉-鈷配合物（簡稱CoQₙ，Q為8-羥基喹啉配體）是一類典型的過渡金屬有機配合物，其分子結構中N、O雙齒配位的剛性喹啉環與中心Co²⁺/Co³⁺離子結合，形成穩定的配位結構，具備可調的電子結構與豐富的氧化還原活性位點，在氧還原反應（ORR）、氧析出反應（OER）、析氫反應（HER）等電催化領域展現出優異的應用潛力。以下從合成方法、結構表征、電催化性能評估及優化策略展開詳細闡述。

一、合成方法

8-羥基喹啉-鈷配合物的合成以溶液法為主，核心是通過配位反應使8-羥基喹啉配體與鈷源結合，合成條件（如原料配比、反應溫度、溶劑極性、pH值）直接影響配合物的晶型、粒徑與配位構型，常見合成路徑包括以下三類。

1. 常規溶劑熱合成法

這是制備8-羥基喹啉-鈷配合物的經典方法，操作簡單且產物純度高。選擇無水乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作為溶劑，將鈷源（如六水合氯化鈷、醋酸鈷、硝酸鈷）與8-羥基喹啉按一定摩爾比（通常為1:2，適配Co²⁺的四配位或六配位構型）溶解于溶劑中，攪拌形成均勻溶液。通過滴加氫氧化鈉或三乙胺調節溶液pH至7~9，促進配體去質子化，增強與Co²⁺的配位能力。隨后將混合溶液轉移至反應釜中，在80~150℃下反應6~24小時，反應結束后自然冷卻至室溫，經過濾、無水乙醇洗滌、真空干燥，即可得到紅棕色或紫黑色的8-羥基喹啉-鈷配合物粉末。該方法的優勢在于反應條件溫和，產物結晶度好，適合實驗室小規模制備。

2. 常溫液相沉淀法

適用于大規模制備或對產物粒徑要求不高的場景，無需高溫高壓設備。將鈷源與8-羥基喹啉分別溶解于水或乙醇溶劑中，在室溫攪拌條件下，將8-羥基喹啉溶液逐滴加入鈷源溶液中，同時滴加氨水調節pH至8左右，此時溶液中迅速出現紅棕色沉淀。繼續攪拌1~2小時使配位反應完全，靜置后抽濾，用去離子水和無水乙醇交替洗滌沉淀數次，以去除未反應的原料與副產物，最后在60~80℃下真空干燥，得到目標配合物。該方法的缺點是產物結晶度較低，粒徑分布較寬，需通過后續研磨或篩分優化。

3. 模板輔助合成法

為提升配合物的比表面積與催化活性位點暴露程度，可采用模板輔助合成策略。選擇二氧化硅、碳納米管、石墨烯等作為硬模板，將鈷源與8-羥基喹啉的混合溶液浸漬于模板表面，通過溶劑揮發或水熱反應使配合物在模板表面原位生長，反應結束后去除模板（如用氫氟酸刻蝕二氧化硅模板），即可得到多孔結構的8-羥基喹啉-鈷配合物。這種方法制備的產物具備豐富的孔道結構，有利于電解質滲透與氣體傳輸，可顯著提升電催化性能。

二、結構表征

合成產物的結構表征是評估其電催化性能的前提，需通過多種手段明確配合物的配位構型、晶型、形貌及化學組成。

1. 晶體結構與配位構型表征

采用X射線衍射儀（XRD）分析產物的晶型，8-羥基喹啉-鈷配合物的特征衍射峰與標準卡片（如JCPDS No. 20-0836）匹配，可判斷其是否為目標產物及結晶度高低；若衍射峰寬化，則表明產物為無定形或納米晶結構。利用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析官能團變化，8-羥基喹啉配體在3200cm⁻¹附近的羥基伸縮振動峰消失，同時在1600~1400cm⁻¹出現喹啉環的特征振動峰偏移，表明羥基氧與喹啉氮已與Co²⁺形成配位鍵。通過X射線光電子能譜儀（XPS）分析Co元素的價態，Co 2p₃/₂與2p₁/₂的特征峰結合能可判斷中心離子為Co²⁺或Co³⁺，且配位環境的差異會導致結合能發生偏移。

2. 形貌與微觀結構表征

借助掃描電子顯微鏡（SEM）與透射電子顯微鏡（TEM）觀察產物的形貌與粒徑，常規溶劑熱合成的產物多為微米級塊狀或棒狀晶體，而模板輔助合成的產物則呈現多孔納米結構。利用氮氣吸附-脫附實驗測定產物的比表面積與孔徑分布，多孔結構的配合物比表面積可達50~200m²/g，介孔結構有利于催化反應的傳質過程。

三、電催化性能評估

8-羥基喹啉-鈷配合物的電催化性能評估主要圍繞氧還原反應、氧析出反應、析氫反應等展開，測試體系以三電極體系為主，核心評估指標包括起始電位、半波電位、塔菲爾斜率、電流密度、穩定性等。

1. 測試體系構建

采用三電極體系，以負載配合物的玻碳電極作為工作電極，鉑片或石墨棒作為對電極，飽和甘汞電極（SCE）或可逆氫電極（RHE）作為參比電極，電解質溶液根據催化反應選擇：ORR與OER常用0.1mol/L KOH溶液，HER常用0.5mol/L H₂SO₄溶液或1mol/L KOH溶液。工作電極的制備方法為：將配合物粉末與粘結劑（如Nafion溶液）分散于無水乙醇中，超聲形成均勻墨水，滴涂于玻碳電極表面，室溫晾干后備用。

2. 氧還原反應（ORR）性能評估

ORR是燃料電池與金屬-空氣電池的核心陰極反應，通過線性掃描伏安法（LSV）在氧氣飽和的電解質溶液中測試，轉速為400~2500r/min。優異的ORR電催化劑需具備較正的起始電位與半波電位，8-羥基喹啉-鈷配合物的半波電位通常可達0.80~0.85V（vs. RHE），接近商業Pt/C催化劑。通過K-L方程計算電子轉移數，理想的ORR催化過程為4電子轉移路徑，生成H₂O而非H₂O₂，8-羥基喹啉-鈷配合物的電子轉移數可達3.8~4.0，表明其催化選擇性優異。此外，通過計時電流法測試催化劑的穩定性，在恒定電位下持續反應10000s后，電流密度保持率可達80%以上，優于部分過渡金屬氧化物催化劑。

3. 氧析出反應（OER）性能評估

OER是電解水制氫與金屬-空氣電池充電過程的核心反應，測試在氧氣飽和的堿性電解質溶液中進行，通過LSV曲線獲取OER的過電位（電流密度為10mA/cm²時的電位）。8-羥基喹啉-鈷配合物的OER過電位通常為300~400mV，塔菲爾斜率為60~80mV/dec，塔菲爾斜率越小，表明催化反應動力學越快。其催化機制與Co²⁺/Co³⁺的氧化還原循環密切相關，反應過程中Co²⁺被氧化為Co³⁺，同時產生氧空位，加速O-H鍵斷裂與O-O鍵形成。

4. 析氫反應（HER）性能評估

HER性能測試在酸性或堿性電解質溶液中進行，核心指標為電流密度達到10mA/cm²時的過電位與塔菲爾斜率。8-羥基喹啉-鈷配合物在堿性條件下的HER性能更優，過電位通常為200~300mV，塔菲爾斜率約為50~70mV/dec，其催化活性源于Co位點對H⁺的吸附與還原能力，通過配體修飾可調節Co位點的電子密度，優化H⁺吸附自由能，提升HER性能。

四、電催化性能優化策略

為進一步提升8-羥基喹啉-鈷配合物的電催化性能，可從以下三個方面進行優化。

1. 配體修飾改性

在8-羥基喹啉環上引入取代基（如-Cl、-Br、-CH₃、-OCH₃等），通過改變配體的電子效應與空間位阻，調控中心Co離子的電子密度與配位環境。吸電子取代基可增強Co位點的氧化還原能力，提升ORR/OER催化活性；供電子取代基則可優化H⁺吸附能力，改善HER性能。

2. 復合載體構建

將8-羥基喹啉-鈷配合物與碳材料（如石墨烯、碳納米管、多孔碳）復合，利用碳材料的高導電性與大比表面積，促進電子傳輸，增加催化活性位點暴露量。同時，碳載體與配合物之間的協同作用可提升催化劑的穩定性，防止催化過程中活性組分脫落。

3. 晶型與形貌調控

通過調整合成條件（如反應溫度、溶劑、模板），制備納米晶、多孔結構或一維納米棒等形貌的配合物，增加比表面積與活性位點數量。例如，多孔結構的8-羥基喹啉-鈷配合物比塊狀結構的催化活性提升2~3倍，原因是多孔結構加速了電解質滲透與氣體擴散。

8-羥基喹啉-鈷配合物憑借可調的配位結構、豐富的活性位點及優異的電催化性能，在燃料電池、金屬-空氣電池、電解水制氫等領域具備廣闊的應用前景。目前，其核心挑戰在于進一步降低催化過電位、提升穩定性及實現規模化制備。通過配體修飾、載體復合與形貌調控等策略，可有效優化其電催化性能；未來，結合原位表征技術深入研究催化反應機理，將為設計高性能8-羥基喹啉-鈷基電催化劑提供理論指導，推動其從實驗室研究走向實際應用。

本文來源于黃驊市信諾立興精細化工股份有限公司官網 http://www.tdtc.net.cn/