孙晓明/邝允/王枫梅Sci. Bull.: 引入单原子Ru，助力TiO2高效电催化水氧化成H2O2

过氧化氢(H₂O₂)是一种多功能氧化剂，在环境、工业、医疗或家庭环境中有着广泛的实际应用，并且电催化2e⁻水氧化(2e⁻WOR)技术为生产H₂O₂提供了一条有前景的途径。然而，由于缺乏合适的电催化剂，要实现H₂O₂的选择性和高产率仍是一个巨大挑战。

基于此，北京化工大学孙晓明、邝允和王枫梅等将Ru单原子可控地引入TiO₂中(Ru_xTi_1−xO₂)，通过电催化2e⁻水氧化反应高效生产H₂O₂。

性能测试结果显示，在3.1 V_RHE下反应10分钟，最优的Ru_0.08Ti_0.92O₂催化剂上的H₂O₂法拉第效率最高为62.8%，H₂O₂产率为24.2 μmol min⁻¹ cm⁻²(电流密度达120 mA cm⁻²)。

同时，在3.1 V_RHE下，当Ru(3%−4%)被引入TiO₂中时，H₂O₂的法拉第效率从11.7%(TiO₂)上升到41.0%(Ru_0.08Ti_0.92O₂)，表明Ru–O–Ti中的Ru³⁺位点能够有效将4e⁻WOR途径转化为2e⁻WOR途径，进而有效提高H₂O₂的选择性。

此外，Ru_xTi_1−xO₂催化剂在大范围的掺杂浓度和电位窗口下表现出较高的H₂O₂产率和法拉第效率，在工业生产和实际操作方面显示出巨大的潜力。

实验结果和理论计算表明，由于金红石型RuO₂和TiO₂晶体结构相似，Ru取代Ti中心后仍呈周期性排列，导致催化剂的电化学和结构稳定。此外，Ru原子上ΔG_*OH值接近1.76 eV，这是通过2e⁻WOR产生H₂O₂的理想值，有利于实现高选择性地生产H₂O₂。

综上，该项工作通过引入非均相金属单原子，有效提高了普通金属氧化物的2e⁻WOR生产H₂O₂的活性，这为设计和调整水氧化反应机理，实现稳定高效的H₂O₂合成提供了指导。

Single Atomic Ru in TiO₂ Boost Efficient Electrocatalytic Water Oxidation to Hydrogen Peroxide. Science Bulletin, 2023. DOI: 10.1016/j.scib.2023.03.003