侯保荣/段继周/张瑞永Adv. Sci.：调节N-Cx中的氮形态，实现模拟海水中高效合成H2O2

近期大量研究表明，电催化氧还原反应(ORR)是选择性生成H₂O₂的理想方法。然而，ORR总是倾向于四电子过程生成H₂O，这是H₂O₂生产的强竞争反应，因此开发高效的电催化剂是利用2e⁻ORR精确制备H₂O₂的关键。有研究表明，非金属碳基材料在中性电解质中具有良好的H₂O₂选择性，同时它们具有高导电性/稳定性、高传质孔隙率和低成本等优点，可作为一种有前景的2e⁻ORR催化剂，尤其适合大规模应用。

杂原子掺杂，尤其是N掺杂，可以通过改善催化活性中心来提高非金属碳基催化剂的2e⁻ORR催化性能。然而，如何确定N掺杂碳的2e⁻ORR催化活性位点仍然存在争议。因此，准确分析N掺杂碳材料中的N物种以及阐明催化机理对于指导和优化高效2e⁻ORR催化剂的合成至关重要。

基于此，中国科学院海洋研究所侯保荣、段继周和张瑞永等以ZIF-8为原料，采用简单的热解法制备了具有不同氮类型(石墨N、吡啶N和吡咯N)的氮掺杂碳材料(N-C_x)，并研究了其在模拟海水电解质中的2e⁻ORR催化性能和催化机理。

实验结果表明，所制备的N-C_x催化剂在0.5 M NaCl溶液中表现出优异的2e⁻ORR活性，其中最优的N-C₈₀₀的起始电位约为0.6 V_RHE，催化选择性约为95%，并且具有较高的催化稳定性。此外，在H型电解池中，N-C₈₀₀催化剂的H₂O₂产率高达631.2 mmol g⁻¹ h⁻¹，法拉第效率为79.8%。

密度泛函理论(DFT)计算表明，石墨N周围的碳原子吸附O₂和*OOH中间体后，结合构型发生明显改变，因此邻近石墨N的碳原子是ORR的活性中心；同时，石墨N比吡啶N和吡咯N具有更高的2e⁻ORR催化活性，因此含有石墨N的N-C₈₀₀表现出优异的ORR活性。此外，N-C₈₀₀材料在模拟海水中生产的H₂O₂能够有效杀灭细菌，显示出其作为海洋抗菌和防污剂的实际应用潜力。

总的来说，该研究不仅为中性电解液中H₂O₂的电生成提供了新的思路，同时也为将海洋资源转化为其他能源和海洋微生物污损防护提供了一种有效的策略。

Regulating N Species in N-Doped Carbon Electro-Catalysts for High-Efficiency Synthesis of Hydrogen Peroxide in Simulated Seawater. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202302446