深圳大学何传新团队，又双叒叕发Angew！

第一作者：Lingyan Jing, Wenyi Wang

通讯作者：何传新

通讯单位：深圳大学

论文速览

在中性介质中，通过双-电子氧还原反应（2e^–ORR）高效电合成过氧化氢（H₂O₂）是一条切实可行的途径，但对电催化剂的理解有限阻碍了该体系的发展。本研究开发了一种新型催化剂，其由介孔碳球（MCS）负载的钯纳米粒子（Pd NPs）组成（Pd/MCS），用于在接近零过电位和约95%的选择性下在中性电解液中电合成H₂O₂。

测试发现，优化后的Pd/MCS-8电催化剂在流动池中H₂O₂的产率达到了15.77 mol g_catalyst^-1 h^-1，生成了累积浓度为66.43 wt.%的中性H₂O₂溶液，该水平足以用于医疗消毒。有限元模拟和实验结果表明，介孔碳载体促进了O₂的富集和局部pH值的提升，为2e^–ORR构建了有利的微环境。

密度泛函理论（DFT）计算揭示了Pd NPs与碳载体之间的强相互作用，优化了碳边缘处OOH*的吸附，确保了高效的2e^–过程。这些发现为设计碳载电催化剂提供了新见解，强调了载体工程在构建有利微环境和协同活性位点方面的作用。

图文导读

图1：Pd/MCS催化剂的合成示意图，以及Pd/MCS-8、Pd/MCS-16和Pd/CS的HAADF-STEM图像和Pd NPs的尺寸分布。

图2：O₂饱和0.1 M K₂SO₄溶液中LSV曲线、对应的H₂O₂选择性、电子转移数(n)作为施加电位的函数，以及Pd/MCS-8的稳定性评估。

图3：流动池中H₂O₂电合成的示意图。

图4：Pd/CS、Pd/MCS-8和Pd/MCS-16的O₂吸附容量、O₂浓度的空间分布、OH^–浓度的空间分布。

图5：Pd/CS、Pd/MCS-8和Pd/MCS-16的拉曼光谱、EPR光谱和Pd 3d XPS光谱，以及Pd/G-edge上OOH*吸附配置的优化和电荷密度差异。

总结展望

本研究巧妙地利用介孔碳球载体支持高度分散的Pd NPs，实现了在中性介质中选择性的2e^–ORR，达到了约95%的H₂O₂选择性和高达0.68 V 的显著起始电位。

优化后的Pd/MCS-8电催化剂在流动池中H₂O₂的产率达到了15.77 mol g_catalyst^-1 h^-1，以及在245 mA cm^-2的高电流密度下，累积H₂O₂浓度达到6.43 wt.%，显著超过了医用级H₂O₂消毒剂的标准浓度。有限元模拟和实验结果表明，精心设计的介孔碳球载体通过促进O₂富集和局部pH值提升，构建了有利的反应微环境。

此外，DFT分析表明，介孔碳载体边缘位点与Pd NPs之间的电子相互作用可以优化OOH*中间体的吸附，从而促进2e^–ORR过程。这项工作为通过载体工程优化反应微环境和活性位点，从而促进实际H₂O₂溶液的电生产提供了宝贵的见解。

文献信息

标题：Efficient Neutral H₂O₂ Electrosynthesis from Favorable Reaction Microenvironments via Porous Carbon Carrier Engineering

期刊：Angewandte Chemie International Edition

DOI：10.1002/anie.202403023

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