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浙江工业大学，Small：锡掺杂增强BiOCl纳米片电催化合成过氧化氢性能

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2024-09-27

导读：浙江工业大学，Small：锡掺杂增强BiOCl纳米片电催化合成过氧化氢性能

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文章信息

锡掺杂增强BiOCl纳米片电催化合成过氧化氢性能

第一作者：张世杰博士

通讯作者：王建国教授*，方文娟博士*

通讯单位：浙江工业大学

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研究背景

过氧化氢（H₂O₂）作为一种重要的环保型氧化剂，广泛应用于医疗、纺织、纸张、污水处理等行业。二电子氧还原反应（2e⁻ ORR）电合成H₂O₂是一种有前景的绿色制备方法，有望替代能源密集型蒽醌工艺。然而，设计低成本、高效的2e− ORR电催化剂是该方法的一个艰巨挑战。介于此，本研究制备了Sn-BiOCl纳米片电催化剂来加速2e⁻ ORR过程，实现了92.9%的高H₂O₂选择性。原位ATR-SEIRAS结果表明，与BiOCl相比，Sn-BiOCl增强了*OOH的吸附和活化，从而使2e⁻ ORR具有更高的活性和选择性。此外，探究了Sn-BiOCl现场生产和应用H₂O₂的潜力，实验结果表明其在20分钟内即可降解去除95%的染料（RhB、MB和MO）。这项工作不仅揭示了Bi和Sn原子在增强催化性能方面的关键作用，而且为设计2e⁻ ORR生产H₂O₂的高效催化剂提供了思路。

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文章简介

近日，来自浙江工业大学的王建国教授课题组，在Small上发表题为“Doped-Sn Enhanced the Performance of BiOCl Nanosheet on Electrocatalytic Synthesis of Hydrogen Peroxide”的研究文章。该文章揭示了Bi和Sn原子在增强催化性能方面的关键作用，Sn插入到BiOCl晶格中，Bi作为富电子位点，明显提高了BiOCl对O₂的活化能力。本工作在原子尺度上调控催化活性位点，为2e− ORR还原机理提供了见解。

本文TOC图

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本文要点

要点一：Sn-BiOCl纳米片制备方法简单

采用一步水热法法合成Sn-BiOCl。通过SEM，HRTEM，EDX等表征技术对Sn-BiOCl形貌、晶格，化学成分进行了测试表征。实验结果表明，Sn替代Bi进入BiOCl晶格中。

Figure 1. (a) The preparation of BiOCl and Sn-BiOCl. SEM images of (b, d) BiOCl and (c, f) Sn-BiOCl. (f) HRTEM images of Sn-BiOCl. (g) SAED pattern and (h) elemental mapping of Sn-BiOCl.

要点二：Sn-BiOCl具有较强的2e⁻ ORR性能

Sn-BiOCl（6 at.%）纳米片电催化剂加速2e⁻ ORR过程，实现了高达92.9%的H₂O₂选择性，在100 mA/cm²下H₂O₂的产量可以达到10628 mg/(L·h)。

Figure 2. Electrocatalytic production of H₂O₂in a flow-cell setup and a concentration test of the H₂O₂product. (a) The H₂O₂yield in 0.5 M H₂SO₄. (b) The H₂O₂ yield in 0.5 M Na₂SO₄. (c) The H₂O₂yield in 1 M KOH . (d) Production and FE-time chronamperometric response of 6 Sn-BiOCl. (e) Potential-time chronamperometric response of 6 Sn-BiOCl.

要点三：提出Sn-BiOCl催化2e^- ORR机理

利用原位ATR-SEIRAS探索催化剂电催化2e^- ORR机理。在水的解离过程中，Sn-BiOCl上产生了大量的*H，促进了其随后与*OOH的结合并产生H₂O₂。相比之下，在BiOCl的光谱中没有观察到水的吸附，这一点导致Sn-BiOCl的*OOH和*HOOH峰强度远大于BiOCl，表明其对ORR的活化能力更强。这些结果表明，Sn-BiOCl有利于2e^- ORR。

Figure 3. a) Diagram of devices placement during in-situ ATR-SEIRAS, In situ ATR-SEIRAS spectra of b) BiOCl and c) Sn-BiOCl

要点四：电催化合成H₂O₂原位利用研究

Sn-BiOCl（6 at.%）在5 min内对MO和RhB的降解效率均可以达到95%，在15 min时对MB可以降解95%，表明Sn-BiOCl对三种污染物具有良好的降解性能。此外，还对Sn-BiOCl阴极进行了循环测试，以评估其实际应用的稳定性，总共六个周期连续操作120 min，MO、RhB和MB的均保持较高的去除率。这些结果显示了Sn-BiOCl作为电-芬顿降解工艺的催化剂及其在高级废水处理工艺中具有巨大的应用潜力。

Figure 4. Electro-Fenton performance of the catalysts. a) Schematic illustration of the electro-Fenton process for RhB, MB, and MO degradation in flow cell. b) RhB, MB, and MO removal efficiency of the Sn-BiOCl (the inset shows each color decays of the electrolyte solutions overtime during the electro-Fenton degradation test). c) pseudo-first-order rate constant for the Fenton. d) Degradation efficiency of RhB, MB, and MO reused six times.

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文章链接

Doped-Sn Enhanced the Performance of BiOCl Nanosheet on Electrocatalytic Synthesis of Hydrogen Peroxide

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202403862

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通讯作者简介

方文娟博士简介：浙江工业大学化学工程学院。2021年博士毕业于北京理工大学，毕业后在华为技术有限公司从事博士后研究工作。研究方向为离子液体（热、电）催化研究，目前聚焦电催化合成反应的离子液体改性电极及离子液体电解质开发研究。申请国家发明专利13项，授权10项，在ACS Catal.、Green Chem.、J. Membrane Sci.、ACS Sustainable Chem. Eng.等国际期刊发表多篇研究论文。

王建国教授简介：浙江工业大学化学工程学院、二级教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者。王建国教授及其团队长期从事负载型催化剂的计算模拟、合成制备及应用研究，包括：（1）智能动态纳米催化剂反应动力学：采用密度泛函、分子动力学等多尺度模拟，结合人工智能方法，研究尤其是在外场作用下催化剂的动态结构变化及其反应动力学研究，指导数智催化剂的研究与开发。（2）面向应用的电催化工程：以制备高附加值产品为目标导向，研究电催化工程中的催化剂、膜电极、电反应器制备、结构与性质关系。（3）绿氢热电耦合过程：以重要化工品生产及重要减碳过程为研究目标，通过耦合绿氢过程，实现工艺或过程重构等。相关研究成果在Science, Nature. Commun., Phys. Rev. Lett, J. Am. Chem. Soc, Angew. Chem. Int. Ed., AIChE. J等国际期刊发表。

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第一作者简介

张世杰博士简介：2022年毕业于浙江工业大学，同年进入浙江工业大学从事博士后研究工作。主要从事负载型纳米电催化剂的开发，电催化氧还原H₂O₂的制备及原位利用，授权国家发明专利11项。以第一/共一作者在Small、AIChE J、Ind. Eng. Chem. Res、Nano Res.、Appl. Surf. Sci等学术期刊发表论文9篇。

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/mce_zjut