【原】清华大学牛志强JACS：双原子Co位点酸性介质中电合成H2O2！

研究内容

            

在酸性介质中电催化合成过氧化氢(H₂O₂)是一种生产固有稳定的H₂O₂的有效且环保的方法，但在工业相关电流密度下缺乏选择性和稳定的催化剂。

            

清华大学牛志强报道了一种用于双电子氧还原(2e^- ORR)的双原子钴(Co)催化剂，在酸中在50-400 mA cm^-2下可有效地产生H₂O₂。电极动力学研究表明，在双原子钴位点上，双电子氧还原的选择性>95%。在流动池设备中，在高电流密度下实现了11.72 mol g_cat^-1 h^-1的创纪录的高生产率和卓越的长期稳定性(100 h)。相关工作以“Enhancing H₂O₂ Electrosynthesis at Industrial-Relevant Current in Acidic Media on Diatomic Cobalt Sites”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

                

研究要点

            

要点1. 作者通过大环前驱体介导的方法制备了Co₂N₄O₂基序的双原子钴催化剂，该催化剂在高电流密度(50-400 mA cm^-2)下对酸性H₂O₂电合成表现出高选择性和稳定性。在宽电势范围(0.2-0.6 V)内，二钴位点上ORR的电极动力学显示出对2e^-途径的高选择性(>95%)。

            

要点2. 密度泛函理论(DFT)计算和原位光谱研究表明，由于d带中心的降低，*OOH和*HOOH在Co位上的吸附减弱。这种减弱的吸附阻止了*OOH和*HOOH进一步还原为水，从而提高了在工业相关电流密度(200-400 mA cm^-2)下H₂O₂的选择性。

            

要点3. 该催化剂在200 mA cm^-2的法拉第效率(FE)超过85%的情况下，总共产生10075 mg H₂O₂，并且这种性能保持100 h。在400 mA cm^-2中，可以进一步实现11.72 mol g_cat^-1 h^-1的创纪录的高H₂O₂生产率，优于先前报道的酸性介质中的催化剂。作者进一步展示了原位生成的H₂O₂在塑料降解中的实际应用。

            

研究图文

                

图1. 具有各种配位环境的原子分散催化剂的计算筛选。    

图2. Co₂-DAC的特性。

图3. Co₂-DAC在RRDE和H电解池测量中的双电子ORR性能。    

图4. Co₂-DAC对双电子ORR的作用机制研究。

图5. 通过先进的氧化工艺进行块体电解和塑料降解。

            

文献详情    

          

Enhancing H₂O₂ Electrosynthesis at Industrial-Relevant Current in Acidic Media on Diatomic Cobalt Sites

Helai Huang, Mingze Sun, Shuwei Li, Shengbo Zhang, Yiyang Lee, Zhengwen Li, Jinjie Fang, Chengjin Chen, Yu-Xiao Zhang, Yanfen Wu, Yizhen Che, Shuairen Qian, Wei Zhu, Cheng Tang, Zhongbin Zhuang, Liang Zhang,  Zhiqiang Niu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https:///10.1021/jacs.4c02031