JACS: 计算+实验！证实五边形层状PdSe2能够快速电合成H2O2

通过双电子氧还原反应(2e⁻ORR)电合成H₂O₂是一种替代传统蒽醌法有前途的策略。对于具有优异2e⁻ORR活性和选择性的电催化剂甚至能够实现按需或者连续生产低浓度H₂O₂，这保证了生产过程中的安全。同时，实际电合成H₂O₂的一个关键因素是含金属电催化剂的稳定性。2e⁻ORR的电催化剂必须对金属和其他非金属元素(ORR惰性位点)的浸出稳定，防止活性降解和电合成H₂O₂的分解。此外，防止浸出对于废水处理尤为重要，以确保催化剂不会导致进一步污染。在Pd-Se化合物中，层状PdSe₂由于其独特的电子特性、可调带隙和光学非线性，已经受到越来越多的关注，同时这也使得PdSe₂有希望用于2e⁻ORR。

近日，威斯康星大学麦迪逊分校金松和J. R. Schmidt等结合计算和实验研究表明，结晶的五角形层状PdSe₂是一种活性和稳定的2e⁻ORR电催化剂，用于在中性溶液中电合成H₂O₂。

计算自由能揭示了PdSe₂纳米片的基面和边缘对2e⁻ORR具有活性和选择性，但在溶液中具有不同的表面形态和H₂O₂降解动力学。水热合成的PdSe₂纳米片在RRDE测量中可以达到>1 mA cm⁻²盘环电流，同时在高过电位下保持高选择性，这优于其他晶体Pd-Se相(Pd₄Se和Pd₁₇Se₁₅)。对于负载有PdSe₂催化剂的气体扩散电极(PdSe₂/GDE)，在中性溶液中3小时内中电化学合成>800 ppm的H₂O₂，在更大的电流密度或过电位下生产速度更快(15分钟)。

体电解后，通过XRD、Raman和XPS对电极进行分析，证实PdSe₂保持了其结构，而对溶液的ICP-OES分析表明，Pd损失和Se损失可以忽略不计。同时，PdSe₂/GDE电极可以在流动池中在恒定电流下连续运行至少48小时。在ORR电解条件下，PdSe₂/GDE的原位和异位XANES和EXAFS测量证实了Se位点周围的细微变化和大范围电位范围内的稳定性。

总的来说，该项工作建立了一个稳定的五边形结构PdSe₂电催化剂模型，为利用层状五边形结构基序设计高效和稳定的2e⁻ORR催化剂提供了理论基础。

Stable pentagonal layered palladium diselenide enables rapid electrosynthesis of hydrogen peroxide. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c00875

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