研究速覽

■?近日，華中科技大學(xué)王得麗教授課題組在國際知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上發(fā)表題為“Nb2CTx MXenes functionalized Co?NC enhancing electrochemical H2O2 production for organics degradation”的研究論文。該論文首次采用MXenes調(diào)控Co?NC的結(jié)構(gòu)，MXenes的層狀結(jié)構(gòu)促進(jìn)Co?NC均勻分布有利于暴露更多活性位點(diǎn)，表面豐富的氧基端可以調(diào)控Co的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步通過電子顯微鏡、以及XPS對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行證實。在所合成的Co?NC/MXenes中，Co?NC/MXene40表現(xiàn)出優(yōu)異的電合成H2O2性能和有機(jī)污染物降解效率。

▉? 研究摘要? ▉

■?電合成H2O2是一種很有前途的替代能源密集型蒽醌工藝的方法。氮摻雜碳負(fù)載過渡金屬（M?N?C）是一種催化活性高的非貴金屬催化劑，尤其是Co?N?C催化劑是當(dāng)前電合成H2O2研究熱點(diǎn)。然而，由于Co?N?C的制備條件，催化性能等問題的探究不足，簡單及低成本制備活性高、H2O2選擇性高的Co?N?C催化劑仍是當(dāng)前電合成H2O2領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

■?鑒于此，華中科技大學(xué)王得麗教授課題組報道了一種利用含有豐富氧基端的MXenes調(diào)控Co?NC的結(jié)構(gòu)從而提高ZIF-67衍生的Co?N?C催化劑電合成H2O2的選擇性。

■?MXenes的引入不僅可以調(diào)控Co?N?C的形貌使限域的鈷顆粒暴露并且可以調(diào)控Co的電子結(jié)構(gòu)。當(dāng)該催化劑用于電合成H2O2時，H2O2選擇性呈現(xiàn)出明顯的提高，這歸于氧官能團(tuán)降低了Co的電子密度從而使中間產(chǎn)物*OOH的結(jié)合能降低進(jìn)而有利于電合成H2O2性能的提升。有機(jī)染料降解實驗結(jié)果表明合成的催化劑電合成H2O2產(chǎn)率高，降解有機(jī)物效率高。此項工作證實了可以通過同時調(diào)控Co?N?C形貌和Co的電子結(jié)構(gòu)來提升Co?N?C催化劑電合成H2O2性能。

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?作者將MXenes Nb2CTx引入ZIF-67衍生的Co?NC中，在合成中通過MXenes表面豐富的氧官能團(tuán)和電負(fù)性特性實現(xiàn)了Co的錨定和Co?NC/MXenes的可控合成。電鏡和X射線光電子能譜證實了MXenes可以調(diào)控Co?NC的結(jié)構(gòu)。電鏡表明MXenes可以調(diào)控Co?NC的形貌而X射線光電子能譜則證實了MXenes表面豐富的氧基端可以有效調(diào)控Co的電子結(jié)構(gòu)，使Co的電子密度降低。

圖 1.?電鏡和X射線光電子能譜對Co?NC/MXenes40進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?作者通過對比不同的Co?NC/MXenesx（x=0, 20, 40, 60）樣品的電合成H2O2性能發(fā)現(xiàn)當(dāng)x=40時，催化劑的電合成H2O2性能最優(yōu)。進(jìn)一步的電化學(xué)測試結(jié)果表明Co?NC/MXenes40在空氣氛圍也表現(xiàn)了優(yōu)異的電合成H2O2性能，循環(huán)40 h后H2O2濃度可以達(dá)到4.8 wt%。

圖 2.?Co?NC/MXenes電化學(xué)合成H2O2性能。

▉? 研究要點(diǎn)3? ▉

■?與傳統(tǒng)的電芬頓降解有機(jī)物污染物相比，Co?NC/MXenes40催化劑和雙陰極相結(jié)合的體系表現(xiàn)出快速、可持續(xù)的優(yōu)異的有機(jī)污染物降解效果，這歸于Co?NC/MXenes優(yōu)異的H2O2產(chǎn)率和雙陰極體系的可持續(xù)利用的特性。

圖 3.?基于Co?NC/MXenes40催化劑的雙陰極體系用于有機(jī)物污染物降解效果圖。

▉? 研究總結(jié)? ▉

■作者采用簡單的原位、熱解方法制備了Co?NC/MXenesx (x=0, 20, 40, 60)催化劑并對其結(jié)構(gòu)/形態(tài)和電合成H2O2特性進(jìn)行了深入研究。在x=40時，催化劑具有最優(yōu)的電合成H2O2性能?；谝幌盗斜碚?，證實了Co?NC/MXenes40催化劑電合成H2O2性能得益于MXenes的層狀結(jié)構(gòu)和其表面豐富的氧基端可以調(diào)控Co?NC的結(jié)構(gòu)。此項研究工作提出了一種對Co?NC及其類似物進(jìn)行調(diào)控的方法，為開發(fā)高效電合成H2O2催化劑提供了參考。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337322006786