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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