田子奇/陆之毅/陈亮教授NC：原子级分散的路易斯酸位点提高了碳基催化剂的2-电子氧还原活性- 大数跨境

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田子奇/陆之毅/陈亮教授NC：原子级分散的路易斯酸位点提高了碳基催化剂的2-电子氧还原活性

科学材料站

2020-11-04

导读：该工作从理论和实验上发现，原子级分散的路易斯酸位点(八面体M–O物种，M=铝(al)，镓(Ga))能调节相邻碳催化位点的电子结构。

文章信息

原子分散的路易斯酸位点提高了碳基催化剂的2-电子氧还原活性

First published: October30，2020

第一作者：杨其浩，徐雯雯，龚顺

通讯作者：田子奇*，陆之毅*，陈亮*

单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

研究背景

过氧化氢(H2O2)作为一种环境友好型氧化剂，已经被广泛使用了一个多世纪，特别是在杀菌消毒、污水处理、纸张漂白、催化氧化等方面。近些年来，H2O2的需求呈现不断增长趋势，预计2024年全球的H2O2市场需求将达到近600万吨。

工业上，H2O2通过蒽醌循环法实现大规模制备，但此过程耗能高、污染严重且需要大型的生产设备，同时高浓度的H2O2运输存在极大的安全隐患。与此相比，利用简易的电化学装置，通过2e-的电化学氧还原反应（2e- ORR）过程制备H2O2，可有效避免H2O2的大规模运输，实现H2O2现制现用，具有安全便携、绿色环保的特点，是一种非常理想的制备产生H2O2的方法。该技术的核心是开发新型高效、低成本的电催化剂。

因此，深刻理解催化反应机制，建立催化剂结构与性能之间的“构效关系”具有重要的现实意义。

文章简介

近日，中国科学院宁波材料研究所田子奇，陆之毅，陈亮研究员等在国际顶级期刊nature communications (影响因子：12.121)上发表题为“Atomically dispersed Lewis acid sites boost 2-electron oxygen reduction activity of carbon-based catalysts”的研究工作。

该工作从理论和实验上发现，原子级分散的路易斯酸位点(八面体M–O物种，M=铝(al)，镓(Ga))能调节相邻碳催化位点的电子结构。密度泛函理论计算预测，具有强路易斯酸性的八面体M–O调节了相邻碳位的电子分布，从而优化了反应中间体(*OOH)的吸附和脱附强度。

实验上，具有最强路易斯酸度的O-C(Al) (具有原子级铝分散的富氧碳)表现出优异的起始电位(0.822V和0.526V，相对于在碱性和中性介质中0.1mA·cm-2电流的可逆氢电极)和在宽电压范围内的高选择性。本研究为电化学H2O2生产提供了一种高效、低成本的电催化剂。

本文要点

要点一：这项工作在理论预测的指导下，通过对同构MOF的（Al-MIL-53和Ga-MIL-53）热解，合理地构建了一系列具有原子级路易斯酸位分散的富氧碳。

要点二：除了继承MOF的多孔结构优势之外，MOF衍生的O-C(M)催化剂中高含量的原子级分散的易斯酸位（八面体MO6结构）通过优化活性位C的电子结构，促进了活性位上*OOH的形成，并减弱了形成的*OOH基团和活性位C之间的结合强度，从而显著提高了O2还原为H2O2的选择性。

要点三：在碱性和中性介质中，O-C(M)还原O2为H2O2的催化性能远高于O-C材料。更重要的是，O-C(M)的碱性2e- ORR催化性能随着催化剂Lewis酸性的增加而显著增长，两者呈正相关。Lewis酸性最强的O-C(Al)呈现出最佳的2e- ORR催化性能。

文章链接

Atomically dispersed Lewis acid sites boost 2-electron oxygen reduction activity of carbon-based catalysts

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19309-4

通讯作者介绍

田子奇博士，研究员，博士生导师

招生方向：新能源材料及相关技术，先进材料模拟与设计。2009年获南京大学物理化学学士学位，2014年在南京大学化学化工学院物理化学专业获得理学博士学位，随后或美国能源部基础能源科学项目资助，进入美国加州大学河滨分校（University of California, Riverside）De_en Jiang教授课题组，从事先进气体分离材料的理论模拟与设计。2017年10月加入中科院宁波材料所，任项目研究员。已在Nano Lett.、Adv. Mater.、Chem. Mater.和J. Phys. Chem. Lett.等杂志上发表论文40余篇。主要研究方向为气体分离、储存及催化材料的设计和开发，利用多尺度分子模拟手段，结合各种实验方法研究多孔材料和薄膜材料捕集分离二氧化碳等工业气体的基本机理，以及先进材料表面上的催化反应。

https://graduate.nimte.ac.cn/view-15133.html

陆之毅研究员

2010年获得北京化工大学应用化学学士学位，2015年获得北京化工大学化学工程与技术博士学位，2016年起进入美国斯坦福大学材料科学与工程系从事博士后研究，师从崔屹教授。陆之毅研究员长期专注于低成本电催化电极的多尺度表界面调控研究，迄今为止，已经发表SCI论文57篇，H因子为35（源自谷歌学术）。其中，以第一作者（含共同一作）或者通讯联系人在Nat. Catal.(1), Nat. Commun.(1),J. Am. Chem. Soc.(1), Adv. Mater.(4), Acc. Chem. Res.(1)等国际期刊发表论文26篇，其中包括7篇ESI高被引论文，他引超过2000次，并获授权中国专利5项。

https://luzhiyi.nimte.ac.cn/

陈亮研究员，博士生导师

中科院宁波材料所所属新能源技术所所长。2001年获得南京大学应用化学学士学位，2006年在美国匹兹堡大学化学工程系与国家能源技术实验室(NETL)获得博士学位，随后进入空气化工产品公司 (Air Products & Chemical Inc.)从事储氢材料的开发研究，2007年加入中科院宁波材料所/浙江省工业技术研究院任副研究员，后晋升为研究员。已以第一或通讯作者在Phys. Rev. Lett.、Nature Comm.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、Adv. Energy Mater.、Chem. Sci.、Chem. Comm.与J. Mater. Chem.A等学术期刊上发表了90余篇论文, 获授权中国发明专利十余项。担任Advanced Theory and Simulations(Wiley-VCH)等国际期刊顾问编委会委员以及材料学会材料基因分会副秘书长。

http://energy.nimte.cas.cn/team/researcher/201407/t20140731_249446.html

第一作者介绍

杨其浩，博士

2019年6月获得中国科学技术大学博士学位，师从江海龙教授。2019年7月进入中科院宁波材料所从事博士后研究。长期专注于高效MOF基催化剂的设计合成与性能研究。迄今为止，已经发表SCI论文14篇。其中，以第一作者（含共同一作）在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Soc. Rev.、Chem. Commun.、Small Methods等国际期刊发表论文7篇，其中包括3篇ESI高被引论文，他引超过1200余次，受博士后创新人才支持计划、中国博士后科学基金、中国科学院特别研究助理等项目资助。

徐雯雯博士

分别于2013年与2019年获得北京化工大学学士和博士学位，师从孙晓明教授；2017-2018年在耶鲁大学王海梁教授组内交流；于2019年7月加入中国科学院宁波材料所从事博士后研究。研究方向主要包括过渡金属纳米材料结构调控及电催化应用研究，迄今为止，以第一作者（含共同一作）已在Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Nature Communication、Small等期刊上发表论文7篇，H因子为14（谷歌学术）。获得博士后创新人才支持计划、中国科学院特别研究助理项目资助。