近日，我院贾建峰教授与中国科学技术大学葛君杰教授合作，以电化学合成过氧化氢为主题，在《Nano Research》期刊上发表题为“Selective oxygen electroreduction to hydrogen peroxide in acidic media: The superiority of single-atom catalysts”的综述论文。我院教师罗二桂为论文第一作者，贾建峰教授、葛君杰教授、张俊明副教授为通讯作者。
过氧化氢（H2O2）被广泛应用于医疗、环境、化工合成、造纸和纺织等领域。目前95%以上的H2O2来源于蒽醌法，工艺流程繁琐，依赖大型设备，产生大量的有机废物并伴随复杂的后处理过程，因此只适合集中生产。两电子氧还原反应（2e-ORR）能够实现在清洁、温和条件下H2O2的现场制备，且若与固体电解质电池技术联合，可以直接得到没有任何杂质的H2O2水溶液。要实现H2O2的高效电化学合成，核心在于催化剂的设计。理想的2e-ORR催化剂需对中间物种*OOH具有恰到好处的结合能，吸附太强会使O–O键易于断裂，而吸附太弱不利于O2的活化。同时，O2分子在催化表面的吸附模式包括平行吸附和垂直吸附，后者O–O键断裂的反应势垒更高，更利于H2O2的产生。
图1.2e-ORR和4e-ORR的活性-*OOH结合能火山型曲线
图2.贵金属基和非贵金属2e-ORR催化剂的设计策略
研究表明，纯贵金属都不适合用作2e-ORR催化剂。但是对于Pt和Pd这种典型的4e-ORR催化剂，可以通过调控电子效应和几何效应，使ORR从四电子途径转向两电子途径。具体方法归纳为三类：合金化、部分掩盖活性金属、单原子分散。M-Nx/C催化剂在H2O2合成方面具有独特的结构优势，单原子活性位点使O2分子垂直吸附，同时还可以通过修饰碳基底调控金属中心的电子结构。决定M-Nx/C催化剂选择性的首要因素是金属的种类，Co-Nx/C对反应中间物种具有最佳结合能。通过在Co-Nx附近引入含氧基团或促进已生成H2O2的扩散可进一步提高H2O2合成效率。
该综述从ORR的反应机理出发，从理论角度解释了影响反应途径和活性的关键因素，并以调控贵金属和M-Nx/C材料促进H2O2选择性生成的最新研究成果加以例证，为新型2e-ORR催化剂的研发提供借鉴。
原文链接：https://doi.org/10.1007/s12274-024-6505-9
