宁波材料所陈亮/陆之毅团队Nat. Commun. : 在电化学制备过氧化氢领域取得进展

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过氧化氢（H₂O₂）作为一种环境友好型氧化剂，在医用消毒、污水处理、纸浆漂白、精细化工等领域被广泛应用，且呈现不断增长趋势，预计2024年全球H₂O₂的市场需求将突破600万吨。工业上H₂O₂通过蒽醌循环法实现大规模制备，但此过程耗能高、污染严重且需要大型的生产设备，同时高浓度的H₂O₂运输存在极大的安全隐患。与此相比，利用简易的电化学装置，通过2e^-的电化学氧还原反应（2e^- ORR）过程制备H₂O₂，可有效避免H₂O₂的大规模运输，实现H₂O₂现制现用，具有安全便携、绿色环保的特点，呈现出广阔的发展前景。该技术的核心是开发新型高效、低成本的电催化剂。因此，深刻理解催化反应机制，建立催化剂结构与性能之间的“构效关系”具有重要的现实意义。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈亮研究员团队和陆之毅研究员团队，通过理论模拟，发现原子级分散的Lewis酸性位点（M-O，M = Al、Ga）具有提升含氧碳（O-C）材料电化学制备H₂O₂的潜在能力（Nat. Commun. 2020, 11, 5478）。计算结果表明，M-O有效调节了相邻C催化位点的电子结构，优化了反应中间体（*OOH）在催化位点上的吸附-脱附强度（图1）。实验上，研究人员以具有高含量M-O成分的同构MOF（Al-MIL-53、Ga-MIL-53）为前驱体，通过热解、碱洗，成功制备了具有原子级分散的Lewis酸位点的O-C(M)材料（图2）。催化结果表明，O-C(M)的碱性2e^- ORR催化性能随着催化剂Lewis酸性的增加而显著增长，两者呈正相关。Lewis酸性最强的O-C(Al)呈现出最佳的2e^- ORR催化性能（图3）。图1 (a) 理论计算模型；(b) 2e^- ORR催化性能的模拟火山图；(c) Lewis酸性位点对邻近C原子电子结构的影响图2 (a-c) O-C(Al)的SEM、HRTEM和ac-STEM；(d) XRD；(e) XPS；(f)固体核磁；(g-h) 同步辐射数据

此外，O-C(Al)在中性2e^- ORR中也具有优异的催化活性和稳定性，这对于H₂O₂的实际应用具有重要意义。在30 mA·cm^-2的电流密度下，1小时内H₂O₂的产量达到～867ppm（选择性为92%），可用于纸张的漂白（图4）。本研究为电化学制备H₂O₂提供了一种高效、低成本的电催化剂，具有潜在的应用价值。

图3 (a-c) 碱性条件下2e^- ORR活性、选择性及Tafel斜率；(d)高过电位下的2e^- ORR的选择性；(e) O-C(Al)的2e^- ORR稳定性；(f) NH3-TPD性能；(g) Lewis酸性和2e^- ORR性能的关联性图4 (a-c) 中性条件下2e^- ORR活性、选择性及稳定性；(d)H-cell测试；(e) 纸张漂白实验

该工作得到了国家自然科学基金（21803074、51872306），国家重点研究开发计划（2018YFB0704300），博士后创新人才支持计划（BX20190340、BX20190339），中国博士后科学基金（2019M660146）等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19309-4

来源：中科院宁波材料所

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