調(diào)控電合成H2O2的多孔石墨烯催化劑活性位點

背景簡介

近年來，在Covid-19大流行的刺激下，隨著整個醫(yī)療保健行業(yè)和消費者對消毒和清潔的抗菌需求不斷增加，人們對稀釋過氧化氫(H2O2)生產(chǎn)的研究越來越感興趣。這種全世界的關(guān)注推動了通過雙電子(2e-)氧還原反應(yīng)(ORR)直接現(xiàn)場生成H2O2的研究。然而，這種電催化反應(yīng)由于反應(yīng)緩慢和通過熱力學(xué)更有利的4e-途徑的競爭反應(yīng)而導(dǎo)致性能不令人滿意。

許多研究都集中在開發(fā)具有可調(diào)結(jié)構(gòu)的2e- ORR 電催化劑，例如貴金屬和合金、過渡金屬基催化劑和碳基電催化劑 (carbon-based electrocatalysts or CBE)。其中，CBE應(yīng)該是最具有可持續(xù)行和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性趨勢的突出催化劑選項。盡管研究者通過缺陷工程對改善 CBE 的 2e- 性能做出了許多努力，但精確控制固有晶格缺陷仍然存在實際挑戰(zhàn)，這是進(jìn)一步提高活性和選擇性的主要障礙。

解決的問題

本工作報告了一種通過原子尺度結(jié)構(gòu)工程解決上述問題的方法，該方法使用氧化多孔石墨烯 (O-HGr) 來實現(xiàn)高選擇性 2e- ORR。設(shè)計的石墨烯是通過“沖壓”工藝然后氧化制備的。更詳細(xì)地說，我們不是控制固有的缺陷簇，而是將它們?nèi)コ?，通過在空氣中進(jìn)行簡單的熱處理，在石墨烯的基面上留下納米孔。然后納米孔的邊緣用特定的氧基團(tuán)進(jìn)行功能化，包括醚（C-O-C）和羰基（C=O）基團(tuán)。因此，隨著將不可預(yù)測的內(nèi)在缺陷減少到與孔邊緣的氧基組合形成統(tǒng)一的活性位點，我們制備的O-HGr由于擁有固有的晶格缺陷區(qū)，可以獲得與氧化石墨烯（O-Gr）相比更高的活性和選擇性。

主要亮點

制備的O-HGr表現(xiàn)出 0.78 V（相對于 氫參比電極RHE）的起始電位值（該值接近熱力學(xué)平衡電位）以及 2360 mol kgcat-1 h-1 的高 H2O2 產(chǎn)率（~97% 法拉第效率）。此外，在很寬的電位范圍內(nèi)，O-HGr 的平均 H2O2 選擇性值為 95%，超過了先前報道的電催化劑。密度泛函理論計算進(jìn)一步表明，2e- ORR 最活躍的位點是醚和羰基在孔邊緣的協(xié)同作用，過電位幾乎為零。

審核編輯：劉清