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過氧化氫(H2O2)在包括化學合成、紙張漂白和廢水處理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。2020年，全球H2O2的產(chǎn)量~450萬噸。預(yù)計到2027年，全球年產(chǎn)量將達600萬噸。目前，超過99％的H2O2通過高能耗高污染的蒽醌工藝合成。在碳中和大背景下，通過兩電子氧還原電合成H2O2因其綠色環(huán)保受到廣泛重視。當前，在堿性介質(zhì)中催化兩電子氧還原制備H2O2多相催化劑取得很大進展。然而，H2O2在堿中會快速分解為水；同時CO2易溶解在堿性介質(zhì)中形成碳酸鹽。相比之下，在酸性介質(zhì)中合成H2O2能很好克服上述問題。一些貴金屬（如Pt-Hg、Pd-Hg、Pt-HSC和Au-Pd）被發(fā)現(xiàn)可有效催化H2O2在酸性介質(zhì)中生成。然而，其高昂價格帶來制備成本增加。

最近，中國科學技術(shù)大學高敏銳課題組利用離子交換法縮減層狀二硒化鈷的層間距離，成功制備了一種新型的強耦合二硒化鈷催化劑。這種低成本材料在酸性介質(zhì)中展現(xiàn)出優(yōu)異的兩電子氧還原電化學活性和穩(wěn)定性能。相關(guān)成果近日以“Strongly Coupled Cobalt Diselenide Monolayers for Selective Electrocatalytic Oxygen Reduction to H2O2 under Acidic Conditions”為題發(fā)表在《德國應(yīng)用化學》上（Angew. Chem. Int. Ed.2021,60,26922-26931）。

電化學測試表明（圖1），相比于常規(guī)二硒化鈷催化劑，強耦合催化劑的H2O2法拉第效率達到 96.7%，電流密度為50.04mA cm-2，產(chǎn)率達30.60 mg cm-2 h-1。特別地，強耦合催化劑在未間斷63 mA cm-2總電流密度下的連續(xù)電解中，其H2O2的法拉第效率在近100 h內(nèi)保持在90%以上。強耦合二硒化鈷催化劑出色的催化活性與穩(wěn)定性是由于其原子層之間更強的耦合作用，優(yōu)化了其對關(guān)鍵*OOH中間體的吸附能。

圖1. 0.5 M H2SO4中的兩電子氧還原性能。(a)ORR循環(huán)伏安曲線圖。(b)H2O2選擇性曲線圖。(c) H2O2電流密度圖。(d) H2O2法拉第效率和產(chǎn)率圖。(e) H2O2產(chǎn)率比較圖。(f) H2O2穩(wěn)定性測試圖

為了深入理解強耦合二硒化鈷催化劑的電化學行為機理，研究人員進行了工況條件下的譜學測試（圖2）。結(jié)果表明，相比于常規(guī)二硒化鈷催化劑，強耦合催化劑在ORR過程中會產(chǎn)生更多的*OOH中間體，同時這一中間體更容易脫附形成H2O2。原位拉曼測試表明，在ORR過程中強耦合催化劑結(jié)構(gòu)不會改變。該工作被選為Frontipiece（卷首插畫）論文（圖3）。

圖2. （a-c）原位譜學測試。（d）兩電子氧還原機理圖。

圖3. 該工作被選為Frontipiece論文。

論文的共同第一作者為中科大博士研究生張曉隆和中科院上海高等研究院蘇曉智。

相關(guān)研究受到國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、安徽省重點研究與開發(fā)計劃等項目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202111075

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202185261

（合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、科研部）