合肥研究院电催化合成过氧化氢研究取得进展

近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米材料与器件技术研究部环境与能源纳米材料研究中心团队在电催化合成过氧化氢方面取得进展，制备了氮掺杂石墨碳负载的钴单原子催化剂（Co-SAs/NC），可实现高效的电催化双电子氧还原合成过氧化氢。相关研究成果以atom for of为题发表在期刊上。

过氧化氢（H2O2）是一种有价值的化学物质，在造纸、纺织、废水处理和化学氧化等方面有着广泛的应用。目前工业上大规模生产H2O2主要采用蒽醌法，即蒽醌分子依次经过氢化、氧化、萃取和蒸馏等步骤，最终得到高浓度的H2O2。这是一个多步骤、高能耗的过程，而且得到的高浓度H2O2在储存和运输过程中可能存在安全问题。因此，近年来学术界不断探索更绿色、更安全、原位生成低浓度H2O2的策略。电催化双电子氧还原（2e-ORR）合成H2O2是一种很有前途的替代方法，但ORR过程的反应动力学较慢，且与4e-ORR存在竞争反应生成H2O，降低了H2O2的产率。因此，制备高活性、选择性的催化材料是发展H2O2电催化合成的关键。

基于此，固体物理所科研人员通过配位调控策略构筑了氮配位Co单原子电催化材料。将一定比例的钴源、络合剂和含氮聚合物混合，经高温碳化，制备出氮配位Co单原子催化剂（Co-SAs/NC）。该催化剂独特的单原子活性位与表面丰富的含氧功能团表现出协同效应，有效提高了双电子氧还原生成过氧化氢的活性和选择性。在0.1 M KOH电解液中，起始电位为0.84 V，选择性达到76.0%。为了验证电解能生成H2O2并能在电解液中积累，研究人员将Co-SAs/NC负载在碳布上进行恒电位电解，得到H2O2产率为38.1±1.5 mmol gcat-1 h-1（17318±682 mmol gCo-1 h-1），法拉第效率为72.1%±4.2%。该研究有利于双电子氧还原电催化剂的设计和研发。

该研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、合肥物质科学研究院院长基金青年“星火”项目的支持。

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图1. Co-SAs/NC合成图（a）、TEM图像（b）、球差校正HAADF-STEM图像（c）和EDS光谱（d）

图 2. (a) 不同氧饱和电解质中 Co-SAs/NC 在 1600 rpm 下的 LSV 曲线；(b) H2O2 选择性和转移电子数 (n)；(c) 0.1 M KOH 下不同转速下 Co-SAs/NC 的 LSV 曲线；(d) - (KL) 图及其对应的 n 值

图3. (a) Co-SAs/NC 2小时稳定性测试；(b) 不同电位下Co-SAs/NC反应2小时后H2O2生成量及对应的法拉第效率(FE%)；(c) 0.5 V (vs. RHE) 下反应10小时后Co-SAs/NC的It曲线