蒋剑春院士领衔！河南农业大学刘艳艳，Adv. Mater.：单分子改性催化活性碳高效生产过氧化氢新突破

第一作者：刘艳艳教授

通讯作者：蒋剑春院士、庞欢教授、李保军教授

通讯单位：河南农业大学、中国林业科学研究院林产化学工业研究所、扬州大学、郑州大学

过氧化氢（H₂O₂）是重要的工业化学品，广泛应用于水处理、环境修复、造纸、半导体和医疗等领域。传统工业生产H₂O₂主要采用蒽醌法，该方法需要使用贵金属钯催化剂，并涉及复杂的氢化、氧化、萃取和溶剂再生过程，导致巨大的能源消耗和有机废物产生。因此，开发一种环境友好、经济高效的H₂O₂生产方法具有重要意义。电催化两电子氧还原反应（2e⁻ORR）是一种直接从O₂和H₂O生产H₂O₂的有前途的替代方法，但需要设计具有高选择性和活性的电催化剂。碳基材料因其丰富的资源、低成本、良好的电导性和电化学稳定性，成为电催化H₂O₂生产的有前途的催化剂候选材料。通过引入功能基团、构建缺陷和异质掺杂等策略，可以调节碳材料的电子结构，增强其内在活性位点，从而优化2e⁻ ORR的活性。本研究开发了一种由氧掺杂的碳负载的钴酞菁（CoPc）单分子催化剂（CoPc@OCW），通过π-π堆积作用将CoPc分子固定在碳表面，形成单分子活性位点，显著提高了H₂O₂的选择性和产率。

基于此，河南农业大学理学院的刘艳艳教授在顶级期刊《Advanced Materials》上发表了一篇题为“Monomolecule Coupled to Oxygen-Doped Carbon for Efficient Electrocatalytic Hydrogen Peroxide Production”的研究论文。该研究聚焦于开发一种高效的电催化过氧化氢（H₂O₂）生产催化剂，通过将钴酞菁（CoPc）单分子与杉木衍生的氧掺杂生物质碳材料结合，实现了卓越的催化性能。

图1.单分子耦合氧掺杂碳电催化氧还原制过氧化氢。

本研究开发了一种由氧掺杂的碳负载的钴酞菁（CoPc）单分子催化剂（CoPc@OCW），用于高效的电催化过氧化氢（H₂O₂）生产。通过π-π堆积作用将 CoPc 分子固定在碳表面，形成单分子活性位点。这种设计不仅充分利用了碳基材料的可调节化学结构，还通过π-π堆积作用介导的氧掺杂调节了CoPc的电子结构，从而优化了与H₂O₂中间体的相互作用。这种创新的催化剂设计显著降低了氧还原反应的能垒，提高了H₂O₂的选择性和产率，为电催化H₂O₂生产提供了新的思路。

要点二：卓越的催化性能

CoPc@OCW催化剂在0.7 V时实现了高达99%的H₂O₂选择性，这在已报道的碳基催化剂中表现卓越。在三相流电池中，CoPc@OCW达到了10.4 mol·g⁻¹·h⁻¹的H₂O₂产率，并且在24小时内稳定运行。这些性能的实现得益于催化剂的高比表面积、丰富的孔隙结构以及氧掺杂带来的电子结构优化。这些因素共同促进了活性位点的高效利用和反应物的快速传输，从而显著提高了催化效率和稳定性。

要点三：详细的结构与表面性质分析

通过 X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱、氮气吸附-脱附等温线和X射线光电子能谱（XPS）等技术，研究团队详细分析了CoPc@OCW的晶体结构、碳缺陷、比表面积和表面组成。XRD 图谱确认了CoPc的成功固定，拉曼光谱显示了更多的碳缺陷，氮气吸附-脱附等温线表明了较大的比表面积，XPS分析则揭示了C、N、O和Co元素的化学状态。这些分析结果为理解催化剂的高性能提供了重要的结构和化学基础。

要点四：深入的电催化活性与机制研究

通过原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）、X射线吸收近边结构（XANES）和扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）等技术，研究团队深入探讨了 CoPc@OCW的电催化活性和机制。ATR-SEIRAS检测到了*OOH中间体的吸附，支持了2e⁻ ORR路径。XANES 和 EXAFS 分析揭示了Co金属中心的电子结构和配位环境，表明氧掺杂显著影响了CoPc的电子状态，改变了HOMO-LUMO能级差，优化了与*OOH中间体的相互作用。这些研究为催化剂的设计和性能优化提供了重要的理论依据。

Monomolecule Coupled to Oxygen-Doped Carbon for Efficient Electrocatalytic Hydrogen Peroxide Production

蒋剑春院士介绍：中国工程院院士，中国林业科学研究院林产化学工业研究所研究员。中科智库首批入库专家委员兼审核委员会委员。我国林业工程学科带头人，突破了炭材料和生物燃料等高值产品制造关键技术，打破了国外活性炭制造技术垄断，在农林生物质热化学转化技术领域作出了突出贡献。获国家科技进步奖4项(其中3项二等奖均排名第一)，中国专利优秀奖1项，省部级科技奖励7项，联合国工发组织等机构联合颁发的全球可再生能源最具投资价值领先技术“蓝天奖”1项；出版编著5部，发表研究论文350余篇，授权发明专利69件。

刘艳艳于2017年在郑州大学化学学院获得理学博士学位，现在是河南农业大学理学院的教授。致力于林木功能炭材料、能源催化化学、生物质转化与利用领域的基础理论和应用研究。重点是在原子和分子水平上规划和调控碳材料微结构促进能源催化反应。探索缺陷、混合价金属及纳米合金调控活性炭催化活性中心局域原子和电子结构等作用机理，揭示林木生物质解聚炭化、活性炭功能位点构建及复合结构演变机理。以第一/通讯作者Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Appl. Catal. B、Adv. Func. Mater.、Green Chem.、J. Energy Chem.等期刊发表SCI 论文60 余篇；授权发明专利10 余件；主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等项目7项；获河南省科技进步一等奖等省部级奖励2 项；获林草科技创新青年拔尖人才、中原英才计划青年拔尖人才等省部级人才称号4 项；被河南省人力资源和社会保障厅个人记功1 次；担任中国林学会林产化学化工分会理事、中国林学会活性炭专委会副秘书长；APL Materials 客座编辑；林产化学与工业和eScience 等杂志青年编委。