天大ACS Catal.: 制备噻吩-S掺杂碳催化剂，实现高选择性H2O2电合成

碳材料具有较大的比表面积、较高的电导率和在恶劣的电化学条件下良好的稳定性，因此在可持续能源生产和储存装置中具有良好前景。过去几十年的研究表明，杂原子掺杂可以诱导碳原子之间的电荷重新分布，从而大大提高其电催化活性。

然而，掺杂原子通常位于碳骨架的缺陷或边缘，因此具有明确掺杂构型的碳纳米材料的精确制备尤其具有挑战性，这阻碍了在碳基纳米材料中建立准确的结构-性质关系。明确的结构-性质关系不仅有助于充分理解催化机理，而且有助于设计出更高效的催化剂。因此，构建具有清晰掺杂结构的碳材料是非常必要的，这可以促进碳基材料的进一步发展。

近日，天津大学凌涛和尹鹏飞等报道了一种分子编织策略，使用具有明确噻吩-硫(S)构型的分子作为前驱体，合成了噻吩-S掺杂碳(其中S掺杂质量分数高达14 wt%)，用于高效过氧化氢(H₂O₂)电合成。

实验结果表明，所制备的噻吩-S掺杂碳在0.66 V_RHE处H₂O₂的选择性高达93%，并且具有良好的反应稳定性。此外，在0.66 V_RHE下，噻吩-S的掺杂量与H₂O₂选择性之间存在明显的线性相关性，这表明噻吩-S掺杂确实可以提高碳材料的H₂O₂选择性。

理论计算表明，在2e⁻ORR的计算过电位(U_L)随ΔG_*OOH的变化图中，原始碳对2e⁻ORR的效能很低，因为它对*OOH的吸附能力很弱；当S原子以噻吩-S构型掺杂在碳网络的边缘时，邻近掺杂剂的碳原子是2e⁻ORR的活性位点，ΔG_*OOH位于火山图的右侧，这比原始碳更接近顶点，这导致噻吩-S掺杂碳具有优异的H₂O₂选择性。

同时，研究人员组装了一个噻吩-S掺杂碳基Zn-空气电池，用于同时产生H₂O₂和发电，其H₂O₂产生速率为117.7±0.2 mg mg⁻¹_Cat h⁻¹，峰值功率密度为82.7±0.8 mW cm⁻²。综上，该项工作为高选择性碳基催化剂的设计提供了思路，拓展了碳基材料在未来能量转换和存储设备中的实际应用。

Maximizing thiophene–sulfur functional groups in carbon catalysts for highly selective H₂O₂ electrosynthesis. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c00419

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天大ACS Catal.: 制备噻吩-S掺杂碳催化剂，实现高选择性H2O2电合成

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