张海民/韩苗苗Angew：“双剑合璧”!单原子-团簇实现电催化合成H₂O₂和生物质升级！

邃瞳科学云

2023-11-22

导读：本文报道了一种串联浸渍热解蚀刻策略，成功制备出锚定在细菌纤维素衍生碳(BCC)上的氧配位的Fe SAs和ACs电催化剂。其表现出优异的电催化活性和对2e- ORR的选择性。

研究内容

过氧化氢(H₂O₂)是全球100种最重要的化学品之一，其在环境、能源、医疗保健等领域的广泛应用证明了这一点。将高活性单原子(SAs)和原子团簇(ACs)整合到电催化剂中对于高效双电子氧还原反应(2e^- ORR)制备H₂O₂至关重要。

中国科学院合肥研究院固体物理研究所张海民和湖州师范学院韩苗苗报道了一种串联浸渍热解蚀刻策略，制备锚定在细菌纤维素衍生碳(BCC)上的氧配位的Fe SAs和ACs(FeSAs/ACs-BCC)电催化剂。FeSAs/ACs-BCC表现出优异的电催化活性和对2e^- ORR的选择性，在0.1 M KOH中提供0.78 V vs RHE的起始电势和96.5%的高H₂O₂选择性。相关工作以“Atomically Dispersed Iron Regulating Electronic Structure of Iron Atom Clusters for Electrocatalytic H₂O₂ Production and Biomass Upgrading”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1. 作者使用串联浸渍热解蚀刻策略合成了锚定在细菌纤维素(BC)衍生的石墨碳上的氧配位的Fe SAs和ACs电催化剂(FeSAs/ACs-BCC)。像差校正扫描透射电子显微镜(AC-STEM)和基于同步的X射线吸收光谱(XAS)分析，明确了催化剂中Fe SAs和ACs的存在及其配位环境。

要点2. FeSAs/ACs-BCC对双电子氧还原反应(2e^- ORR)具有优异的电催化活性和选择性，在0.1 M KOH中提供0.78 vs RHE的起始电势和96.5%的高H₂O₂选择性，超过了最近报道的大多数单原子催化剂。H-电解池测试提供了高H₂O₂产量，可以与电芬顿工艺相结合，实现乙二醇的增值。在实际的流动池装置中，FeSAs/ACs-BCC还实现了高效的H₂O₂电合成，产率为12.51±0.18 mol g_cat^-1 h^-1，在150 mA cm^-2下相应的法拉第效率为89.4%±1.3%。

要点3. 理论计算表明，氧配位的Fe ACs是催化剂中实际的催化活性位点，可以与Fe SAs相互作用，诱导电荷再分配，从而使*OOH中间体的结合强度达到高效生产H₂O₂的最佳水平。