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2021年12月14日
中国科大研制强耦合催化剂实现酸性介质中过氧化氢的高效电合成

过氧化氢(H2O2)在包括化学合成、纸张漂白和废水处理等领域具有重要应用。2020年,全球H2O2的产量~450万吨。预计到2027年,全球年产量将达600万吨。目前,超过99%的H2O2通过高能耗高污染的蒽醌工艺合成。在碳中和大背景下,通过两电子氧还原电合成H2O2因其绿色环保受到广泛重视。当前,在碱性介质中催化两电子氧还原制备H2O2多相催化剂取得很大进展。然而,H2O2在碱中会快速分解为水;同时CO2易溶解在碱性介质中形成碳酸盐。相比之下,在酸性介质中合成H2O2能很好克服上述问题。一些贵金属(如Pt-Hg、Pd-Hg、Pt-HSC和Au-Pd)被发现可有效催化H2O2在酸性介质中生成。然而,其高昂价格带来制备成本增加。

最近,中国科学技术大学高敏锐课题组利用离子交换法缩减层状二硒化钴的层间距离,成功制备了一种新型的强耦合二硒化钴催化剂。这种低成本材料在酸性介质中展现出优异的两电子氧还原电化学活性和稳定性能。相关成果近日以“Strongly Coupled Cobalt Diselenide Monolayers for Selective Electrocatalytic Oxygen Reduction to H2O2 under Acidic Conditions”为题发表在《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed.2021,60,26922-26931)。

电化学测试表明(图1),相比于常规二硒化钴催化剂,强耦合催化剂的H2O2法拉第效率达到 96.7%,电流密度为50.04mA cm-2,产率达30.60 mg cm-2 h-1。特别地,强耦合催化剂在未间断63 mA cm-2总电流密度下的连续电解中,其H2O2的法拉第效率在近100 h内保持在90%以上。强耦合二硒化钴催化剂出色的催化活性与稳定性是由于其原子层之间更强的耦合作用,优化了其对关键*OOH中间体的吸附能。

图1. 0.5 M H2SO4中的两电子氧还原性能。(a)ORR循环伏安曲线图。(b)H2O2选择性曲线图。(c) H2O2电流密度图。(d) H2O2法拉第效率和产率图。(e) H2O2产率比较图。(f) H2O2稳定性测试图

为了深入理解强耦合二硒化钴催化剂的电化学行为机理,研究人员进行了工况条件下的谱学测试(图2)。结果表明,相比于常规二硒化钴催化剂,强耦合催化剂在ORR过程中会产生更多的*OOH中间体,同时这一中间体更容易脱附形成H2O2。原位拉曼测试表明,在ORR过程中强耦合催化剂结构不会改变。该工作被选为Frontipiece(卷首插画)论文(图3)。

图2. (a-c)原位谱学测试。(d)两电子氧还原机理图。

3. 该工作被选为Frontipiece论文。

论文的共同第一作者为中科大博士研究生张晓隆和中科院上海高等研究院苏晓智。

相关研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202111075

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202185261


(合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部)

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