新加坡南洋理工大学刘彬-酸介质中合成H2O2的新策略

【研究背景】

双氧水（H2O2）是重要的化工产品。传统的化工H2O2生产方法污染环境，耗能。电化学合成H2O2方法具有绿色、方便等优点，是一种潜在的替代方法。但是目前的电化学合成方法大多在碱性溶液中进行，碱性环境中的H2O2有以下缺点：1. 易分解，不稳定；2. 阴离子交换膜不成熟且昂贵；3. 碱性中的氧化效果较酸性的差。因此，发展一种可以在酸性媒介中电化学合成H2O2的方法具有重要意义。单原子催化剂被证明能够在酸性媒介中将O2还原成H2O2，但仍存在传质慢，过电位高，选择性低等缺点。

【研究内容】

为了克服传统单原子催化剂（粉末）的缺陷，新加坡南洋理工大学刘彬团队设计了一种三维，自支撑的Co单原子电极。首先将碳布做亲水处理，然后浸泡生长ZIF，之后煅烧，最后酸处理洗去Co颗粒，得到自支撑，三维的Co单原子电极。

这种三维结构有以下优点：

1. 孔径较传统单原子更大，产生的H2O2能够及时导出，避免H2O2被进一步还原成H2O，提高了H2O2选择性；

2. 传质更好，受到氧浓度的限制更少，提高了电流；

3. 导电性更好。

因此，在0.1-0.7 V (vs RHE) 电压范围内，在0.5 M H2SO4溶液中，氧还原产生H2O2的选择性都超过80%，电流密度最大能达到51 mA·cm-2，这些性能较传统单原子电极都有大幅提升。最后，这种三维电极应用于器件中，H2O2产率达到676 mol·kgcat-1·h-1。

【论文通讯作者简介】

关于 刘彬教授

刘彬于 2002 年获得新加坡国立大学学士学位（一等荣誉），2004 年获该校硕士学位，之后于 2011 年在美国明尼苏达大学获取博士学位。2011-2012 年在美国伯克利加州大学杨培东教授课题组从事博士后研究。2012 年任新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院助理教授，并建立电催化研究实验室。2017 年 2 月，刘彬老师晋升为副教授，获得终身教职。刘彬教授的研究成果在国际著名期刊如：Nat. Energy, Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Joule，Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.,等发表论文 100 余篇，他引次数过万。

相关论文信息

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论文标题：

Design of hierarchical, three‐dimensional free‐standing single‐atom electrode for H2O2 production in acidic media

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.33

DOI:https://doi.org/10.1002/cey2.33

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