华中科技大学王得丽教授团队CEJ：高分散Co原子锚定的多孔氮掺杂碳用于酸性H2O2的电合成

邃瞳科学云

2022-03-11

导读：本文通过一种热解-碱化-酸化策略，制备了高度分散的Co原子锚定的氮掺杂多孔碳（p-Co-N-C）催化剂，其在酸性环境中展现出优异的电合成H2O2性能，并且实现了有机染料的原位降解。

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第一作者：张静静

通讯作者：王得丽

通讯单位：华中科技大学

论文DOI：10.1016/j.cej.2022.135619

图文摘要

研究背景

过氧化氢（H₂O₂），作为一种温和的、环境友好的氧化剂，广泛用于环境治理，化学合成等领域。目前H₂O₂的合成主要依赖于蒽醌（AQ）工艺，该过程需要大规模的基础设施，并且在操作过程中产生大量的废弃物。因此，开发一种绿色、安全、低成本的H₂O₂合成技术替代AQ工艺是极其重要的。近年来，两电子氧还原反应（2e⁻ ORR）因反应产物只有O₂和H₂O，无任何有毒物质排放，为H₂O₂的原位合成与应用提供了一条极其有利的途径。过渡金属-氮-碳材料（M-N-C）因成本低廉、活性高、酸性体系中ORR稳定性好而被广泛研究。其中，含有Co-N_x物种的Co-N-C材料在酸性环境中催化2e⁻ ORR合成H₂O₂具有巨大潜力。然而，目前Co-N-C催化剂的合成依赖于高温煅烧，不可避免地导致钴纳米颗粒的形成。这些钴纳米颗粒要么暴露在碳表面，要么嵌入在碳层中。由于碳壳的保护，嵌入碳层中的钴颗粒即使在强酸中也很难移除。孙世刚课题组发现，与CoN₄物种相比，CoN₄物种和嵌入的钴纳米颗粒形成的复合位点能够增强O₂的活化，诱导4e⁻ ORR过程产生H₂O。因此，发展一种高效的方法移除限域的钴纳米颗粒对于提高H₂O₂的选择性至关重要。

成果简介

最近，华中科技大学王得丽教授团队，在ChemicalEngineering Journal期刊上发表题为“Highly dispersed Co atoms anchored inporous nitrogen-doped carbon for acidic H₂O₂electrosynthesis”的文章。在这项研究中，通过一种热解-碱化-酸化策略，制备了高度分散的Co原子锚定的氮掺杂多孔碳（p-Co-N-C）催化剂，其在酸性环境中展现出优异的电合成H₂O₂性能，并且实现了有机染料的原位降解。

本文要点

要点1. 高度分散的Co原子成功地锚定在多孔氮掺杂碳材料上。

要点2. p-Co-N-C展现出优异的ORR活性和H₂O₂选择性。

要点3. p-Co-N-C在降解有机染料方面具有广阔的应用前景。

图文导读

采用热解-碱化-酸化策略合成了p-Co-N-C催化剂。SEM图显示经过KHCO₃活化以及二次酸处理得到的p-Co-N-C，表面展现出丰富的孔结构。TEM图显示p-Co-N-C中未观察到Co颗粒的存在，这可能归功于在高温环境中，由于KHCO₃的刻蚀作用，包裹金属Co颗粒的碳层遭到破坏，金属Co颗粒暴露出来，在后续的酸洗涤过程中被移除。AC-HAADF-STEM结果表明钴原子高度分散在多孔氮掺杂碳表面。

图1. p-Co-N-C的合成示意图

p-Co-N-C在整个电化学窗口范围内，H₂O₂选择性高达90%，电子转移数接近2，优于目前报道的大部分酸性电合成H₂O₂催化剂，并且具有较低的H₂O₂RR性能。将p-Co-N-C组装成气体扩散电极应用到液流池中，H₂O₂产率最高达到~2,460.8 mg L ⁻¹ h ⁻¹，并且展现出高效的有机染料降解效率，8 min内，50 mg/L孔雀石绿的降解效率达到90%，表明了p-Co-N-C催化剂在污水处理方面具有重要的实际应用潜力。

图2 （a）在0.5 M H₂SO₄电解液中不同电位（0 V，0.1 V，0.2 V和0.3 V）下单位时间内的H₂O₂产率和法拉第效率;（b）在0.1 V下累计的H₂O₂产率和相应的法拉第效率；（c）50 mg/L孔雀石绿（MG）的降解效率随时间变化曲线；（d）50 mg/L亚甲基蓝（MB）的降解效率随时间变化曲线

小结

综上所述，通过热解-碱化-酸化策略合成了p-Co-N-C催化剂。相较于限域钴颗粒的钴-氮-碳（Co@Co-N-C）材料，p-Co-N-C展现出明显提高的H₂O₂选择性，达到90%。更重要的是，将p-Co-N-C组装成气体扩散电极应用到液流池中，实现了很高的H₂O₂产率和法拉第效率，并且展现出高效的有机染料降解效率，在8 min内，50 mg L^-1孔雀石绿的降解率达到90%。p-Co-N-C优异的电合成H₂O₂性能被归功于高度分散的Co-N_x物种和分级多孔结构，前者为2e⁻ORR过程提供活性中心，后者为H₂O₂的扩散提供运输通道。该工作为制备高效的电合成H₂O₂催化剂提供了可行的策略。

通讯作者简介

王得丽，华中科技大学教授，博士生导师。2008年博士毕业于武汉大学，师从庄林教授，博士毕业后先后在新加坡南洋理工大学和美国康奈尔大学从事博士后研究。2013年初入职华中科技大学，获中组部海外高层次人才计划、教育部“新世纪优秀人才计划”、湖北省“化学化工青年创新奖”、中国表面工程协会“中表镀-安美特青年教师奖”。主要研究方向为新型电化学能源与环境材料的设计以及性能优化。迄今为止，在国内外知名学术期刊上发表论文100余篇，获授权中国发明专利6项，美国授权发明专利2项。担任《中国化学快报》青年编委，《储能科学与技术》、《电化学》、《Nano MaterialsScience》《Energy & Fuels》、《J. Phys Energy》杂志编委。

课题组网站：http://deli.chem.hust.edu.cn/info/1012/1103.htm

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