​【DFT+实验】AFM:CB@Co-N-C助力H2O2合成和微生物燃料电池

​【DFT+实验】AFM:CB@Co-N-C助力H2O2合成和微生物燃料电池
氮掺杂碳材料中分离的单金属原子(M-N-C)是通过2-电子或4-电子过程产生H2O2或H2O的氧还原反应(ORR)的有效电催化剂,但是大多数M-N-C催化剂仅对一种产物表现出高选择性,并且选择性通常由复杂的结构设计来调节。
基于此,华中农业大学张耕教授和曹菲菲教授等人报道了一种由炭黑负载的Co-N-C催化剂(CB@Co-N-C)。在具有气体扩散电极的流动池中,H2O2的产生速率为5.04 mol h−1 g−1,同时在电解质循环和非循环模式下,该催化剂表现出200 h的长期H2O2产生。
​【DFT+实验】AFM:CB@Co-N-C助力H2O2合成和微生物燃料电池
通过DFT计算多孔纳米材料的HOMO和LUMO轨道,作者研究了金属离子的引入对电荷分布的影响。对于HOFs,HOMO主要位于芘核的中心,LUMO均匀分布在H4TBAPy上。HOFs@Fe3+在引入Fe3+后,LUMO主要分布在Fe3+上,有效地抑制了光生载流子的络合。
对于HOFs@Cu2+,观察到HOMO和LUMO之间的部分重叠,可能导致部分光生载流子的络合。结果表明,通过锚定Fe3+有效地解决了HOFs光生载流子迁移能力差的问题,从而提高了纳米材料的整体光催化活性。
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基于分子轨道理论,作者提出了一种可能的HOFs@Fe3+吸附和光降解机制。当HOFs@Fe3+被放入含有BPA的水中时,BPA通过氢键和π-π堆积相互作用快速选择性地吸附在催化剂表面。
然后,HOFs@Fe3+在可见光照射下产生光生电子和空穴,并且电子从HOMO跳到LUMO。由于Fe3+的可变价态,电子进一步快速转移到金属离子上,而h+保留在HOFs的HOMO能级中。
此外,积聚在催化剂表面的金属离子上的电子也可以被吸附的H+捕获以产生H2。•O2可与h+反应形成1O2,在•O21O2的共同作用下,吸附在催化剂上的富集BPA被有效降解。
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Carbon Black-Supported Single-Atom Co-N-C as an Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst for H2O2 Production in Acidic Media and Microbial Fuel Cell in Neutral Media. Adv. Funct. Mater., 2023.

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