Nat. Comm.电催化ORR：在碳材料中建立和识别高活性氧化基团，以将O2还原为H2O2- 大数跨境

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Nat. Comm.电催化ORR：在碳材料中建立和识别高活性氧化基团，以将O2还原为H2O2

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2020-05-17

导读：本文报道了一种，用目标基团（醚、羧基和醌）来修饰石墨材料的悬挂边缘的预活化方法。证实了一类新的苯醌基团，其具有比以前报道的具有类似起始电位的含氧基团更高的选择性。富含醌的样品（GNPC = O，1）在

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韩国蔚山科学技术院、加拿大卡尔加里大学

导读

H₂O₂作为一种绿色氧化剂，被广泛应用于消毒剂、漂白剂、消毒剂、化工合成，甚至作为一种潜在的能源载体。而H₂O₂的一步电化学合成是一种现场合成的方法，可减少对高能耗的蒽醌工艺的依赖性。事实证明，氧化碳材料由于其成本低、合成步骤简单，是一种很有前景的催化剂。然而，其活性位点的性质仍然存在争议，目前还缺乏直接的实验证据。

基于此，韩国蔚山科学技术院Feng Li，Jong-Beom Baek，加拿大卡尔加里大学Samira Siahrostami等人近日在Nature Communication上发表题为“Building and identifying highly active oxygenated groups in carbon materials for oxygen reduction to H₂O₂”，文章第一作者是Gao-Feng Han

文章介绍

本文报道了一种简便的合成方法，将醌官能团结合到碳纳米结构中。为了进行比较，同时采用预活化方法制备了富羰基和醚环富集型石墨纳米片(分别记为GNP_C=O和GNP_C-O-C)。研究表明，富含醌官能团的样品在0.75 V（vs RHE）的条件下表现出高的选择性和活性，H₂O₂产率高达97.8％。利用DFT计算，确定了碳纳米结构边缘和基底平面上不同可能的醌官能团的活性趋势。本文的研究结果为设计同时具有高选择性和活性的碳基催化剂提供了指导。

背景简介

1. H₂O₂生产难题

H₂O₂作为一种绿色氧化剂，被广泛应用于消毒剂、漂白剂、消毒剂、化工合成，甚至作为一种潜在的能源载体根据全球产业分析公司的报告，预计到2024年全球H₂O₂的消费量将达到600万吨。目前，约99%的H₂O₂是采用多步蒽醌工艺生产的。然而，这种工艺耗能大，只能在集中式工厂中进行蒽醌工艺固有的复杂性使得许多研究人员开始研究一步法以实现用一个简单的装置在现场小规模地连续生产过氧化氢，而电化学合成是一种有效策略。

2. 研究机遇

不含金属的氧化碳材料由于合成简单、具有成本效益以及高活性和选择性，在这方面的应用受到了特别的关注。无金属氧化碳材料可以结合各种含氧官能团，具有广泛调整性能和优化活性位点的潜力。

目前开创性的研究都应用了苛刻的氧化条件来劈开强sp²-C-C键并加入氧官能团，而这又使得碳材料难以实现目标基团的官能化。因此，造成氧官能团不可避免地使边缘上的悬空键与复杂的多组分饱和，严重阻碍了系统的实验研究。由于普通表征方法的分辨率不足以区分相似的官能团，准确识别最活跃的官能团本身就变得十分困难。

核心内容

本文报道了一种，用目标基团（醚、羧基和醌）来修饰石墨材料的悬挂边缘的预活化方法。证实了一类新的苯醌基团，其具有比以前报道的具有类似起始电位的含氧基团更高的选择性。富含醌的样品（GNP_{C = O}，1）在0.75V下的H₂O₂产率为97.8％。使用独立的分子化学和理论分析进一步验证了结果。这些发现将有助于理解ORHP中的活性位点，并将为设计高ORHP催化剂提供指导。

图2：边缘组表征

a. Fourier transform infrared (FTIR) spectra.

b. The high-resolution O 1s of the X-ray photoelectron spectra (XPS). OI, 531.35 ± 0.05 eV, C=O, quinone, or ketone; OII, 532.8 eV, C–O-C, or COOH; OIII, 534.0 eV, C–O(H); OIV, 535.6 eV, adsorbed H₂O and O₂.

c. The cyclic voltammetry. The CV curves were measured in Ar-saturated 0.5 M H₂SO₄ at a scan rate of 50 mV s⁻¹. The quinone redox reaction were recorded in the potential window from 0.3 to 0.8 V.

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15782-z

老师简介:

Feng Li
Jong-Beom Baek
Samira Siahrostami

Assistant Professor, Department of Chemistry, University of Calgary

Dr. Samira Siahrostami received her PhD in Physical Chemistry from Shiraz University, Iran in 2011. She then joined Center for Atomic-scale Material Design (CAMd), Technical University of Denmark (DTU) between 2011-2013 as a postdoctoral researcher under supervision of Prof. Jan Rossmeisl. In 2014, Samira joined SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, Department of Chemical Engineering, Stanford University working with Prof. Jens Nørskov first as a postdoctoral researcher (2014-2016), then as a staff research engineer (2016-2018). In October 2018, Samira joined University of Calgary as an assistant professor. Her research focuses on designing catalysts for electrochemical reactions, which are of importance for renewable energy technologies including:

(i) oxygen electrocatalysis, including

- oxygen reduction reaction (ORR) for fuel cell and metal air batteries

- oxygen evolution reaction (OER) for synthesis of hydrogen

- electrochemical synthesis of hydrogen peroxide

(ii) CO2 electrocatalysis for synthesis of valuable hydrocarbons.

信息来源：https://www.siahrostamilab.com

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