Angew.: 用于高电流密度选择性H2O2电合成的超配位镍N4Ni1O2位点单原子催化剂

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Angew.: 用于高电流密度选择性H2O2电合成的超配位镍N4Ni1O2位点单原子催化剂
Angew.: 用于高电流密度选择性H2O2电合成的超配位镍N4Ni1O2位点单原子催化剂
在单原子催化剂上由O2电化学生产过氧化氢(H2O2)引起了极大关注，但在工业相关电流密度 (>100 mA cm−2）下实现>90%的法拉第效率（FE）推动了对坚固催化剂的追求。
在此，华东理工大学李春忠和李宇航等合成了一种催化剂，该催化剂包含由四个氮原子和两个氧原子（即N4Ni1O2）配位的单个镍位点，通过将羧基功能化的多壁碳纳米管作为底物为常规 NiN4位点提供额外的O配位。在200 mA cm-2 电流密度下，它的阴极能效约为82 %，H2O2 FE约为96%，优于已报道的H2O2电合成单原子催化剂。
Angew.: 用于高电流密度选择性H2O2电合成的超配位镍N4Ni1O2位点单原子催化剂
为了研究超配位 N4Ni1O2结构对2e–ORR的关键作用，通过密度泛函理论(DFT)模拟研究了NiN4、N4Ni1C、N4Ni1O1、N4Ni1O2和纯OCNT模型。构建了 N4Ni1O2表面上反应中间体的构型（图 S12）和2e–/4e– ORR的自由能图（图 3f 和表 S2-S3）。2e−/4e− ORR涉及两个竞争反应决定活性：（I）*OOH+（H++e–）→*O+H2O；(II) *OOH+(H++e–)→H2O2（其中*代表活性位点上的吸附中间体）。H2O2的选择性可以通过OOH*解吸或OOH*分解为O*和OH–的势垒来确定。N4Ni1O2结构上的2e– 途径受到青睐，因为OOH*解吸(0.31 eV)低于OOH*解离(0.33 eV)。与其他样品（N4Ni1O1：0.40 eV，OCNT：0.44 eV，N4Ni1C1：1.14 eV，NiN4：1.15 eV）相比，这种低OOH* 解吸表明，通过额外的两个配位O原子，N4Ni1O2有利于反应动力学，从而提高2e– ORR性能。
Chuqian Xiao, Ling Cheng, Yihua Zhu, Gengchao Wang, Luyang Chen, Yating Wang, Rongzhen Chen, Yuhang Li, Chunzhong Li. Super-Coordinated Nickel N4Ni1O2 Site Single-Atom Catalyst for Selective H2O2 Electrosynthesis at High Current Densities. Angewandte Chemie, 2022
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202206544
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