中科院大连化物所刘健团队《ACS AMI》：电催化剂的介尺度扩散强化 - 碳基纳米反应器用于高效电合成双氧水

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发展高效电催化过程对碳中和能源技术的开发具有重要意义。但其活性往往受限于反应物和产物的扩散。通过催化剂结构的设计优化，尤其是介尺度的调控，有望大幅提高反应物及产物的扩散，为反应选择性及活性的调控提供可能。
近日，中国科学院大连化学物理研究所刘健研究员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上发表了题为“Mesoscale Diffusion Enhancement of Carbon-Bowl-Shaped Nanoreactor toward High-Performance Electrochemical H₂O₂ Production”的文章（DOI: 10.1021/acsami.1c11765）。对于涉及气体的电催化反应，其性能是由电催化剂的本征催化活性和反应物/产物的扩散行为共同决定。近年来，大量研究工作从原子尺度进行催化剂的设计以优化电子结构和本征催化活性，使得众多电催化反应的性能取得了很大的突破；然而目前对电催化扩散行为的研究还仅限于宏观层面，如电极表面工程和反应器结构设计等。由于气-液-固三相界面的复杂性，在介尺度研究多相电催化剂扩散行为更具挑战性，一方面对于构效关系的理解非常有限，另一方面也缺乏合适的材料研究平台。有鉴于此，本工作提出了碳碗型纳米反应器作为介尺度扩散强化的研究平台，通过软模板法制备了介孔碳碗（MCB）样品用于电催化氧还原生产H₂O₂。该MCB不仅具有丰富的活性位点，而且在介尺度上可以增强反应物及反应中间物种的扩散，从而提高催化活性及生产双氧水的选择性。优化的MCB-350在0.1 M KOH电解液中，在0.1 V vs. RHE下极限扩散电流达到 –2.7 mA cm^–2，在宽电压范围(0.14-0.74 V vs. RHE) 下H₂O₂选择性超过90%，并且稳定性出色。进一步地，本工作通过有限元模拟在介尺度上对材料的孔结构和扩散强化之间的关系进行了深入研究，发现MCB的碗状结构和介孔通道对调节流速和加速局部扩散至关重要，从而在保持高选择性的情况下，提高了电催化氧还原的活性。
本文要点
（1）MCB材料的合成过程及形貌表征 
 
（2）通过改变F127和P123的质量比精细地调控碳碗的窗口大小
  
（3）不同结构的MCB在0.10 M KOH电解液中的氧还原生产H₂O₂的性能测试
  
（4）有限元模拟证实介尺度扩散强化对电催化性能的重要影响 
本工作合成的介孔碳碗为研究介尺度的扩散强化对催化性能的影响提供了重要的材料平台。这一发现将启发和引导更多的研究工作，指出了电催化性能优化的新方向，在纳米材料和宏观器件之间架起桥梁，这不仅有利于涉及气体的电催化反应，也有利于各种扩散限制的催化过程。 该工作的第一作者为中国科学院大连化学物理研究所博士生景铃胭，共同第一作者为澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料系博士后唐城，通讯作者为刘健研究员。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c11765

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