近期大量研究表明，電催化氧還原反應(yīng)(ORR)是選擇性生成H2O2的理想方法。然而，ORR總是傾向于四電子過程生成H2O，這是H2O2生產(chǎn)的強(qiáng)競爭反應(yīng)，因此開發(fā)高效的電催化劑是利用2e?ORR精確制備H2O2的關(guān)鍵。有研究表明，非金屬碳基材料在中性電解質(zhì)中具有良好的H2O2選擇性，同時它們具有高導(dǎo)電性/穩(wěn)定性、高傳質(zhì)孔隙率和低成本等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種有前景的2e?ORR催化劑，尤其適合大規(guī)模應(yīng)用。

雜原子摻雜，尤其是N摻雜，可以通過改善催化活性中心來提高非金屬碳基催化劑的2e?ORR催化性能。然而，如何確定N摻雜碳的2e?ORR催化活性位點(diǎn)仍然存在爭議。因此，準(zhǔn)確分析N摻雜碳材料中的N物種以及闡明催化機(jī)理對于指導(dǎo)和優(yōu)化高效2e?ORR催化劑的合成至關(guān)重要。

基于此，中國科學(xué)院海洋研究所侯保榮、段繼周和張瑞永等以ZIF-8為原料，采用簡單的熱解法制備了具有不同氮類型(石墨N、吡啶N和吡咯N)的氮摻雜碳材料(N-Cx)，并研究了其在模擬海水電解質(zhì)中的2e?ORR催化性能和催化機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的N-Cx催化劑在0.5 M NaCl溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的2e?ORR活性，其中最優(yōu)的N-C800的起始電位約為0.6 VRHE，催化選擇性約為95%，并且具有較高的催化穩(wěn)定性。此外，在H型電解池中，N-C800催化劑的H2O2產(chǎn)率高達(dá)631.2 mmol g?1 h?1，法拉第效率為79.8%。

密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，石墨N周圍的碳原子吸附O2和*OOH中間體后，結(jié)合構(gòu)型發(fā)生明顯改變，因此鄰近石墨N的碳原子是ORR的活性中心；同時，石墨N比吡啶N和吡咯N具有更高的2e?ORR催化活性，因此含有石墨N的N-C800表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性。此外，N-C800材料在模擬海水中生產(chǎn)的H2O2能夠有效殺滅細(xì)菌，顯示出其作為海洋抗菌和防污劑的實(shí)際應(yīng)用潛力。

總的來說，該研究不僅為中性電解液中H2O2的電生成提供了新的思路，同時也為將海洋資源轉(zhuǎn)化為其他能源和海洋微生物污損防護(hù)提供了一種有效的策略。

Regulating N Species in N-Doped Carbon Electro-Catalysts for High-Efficiency Synthesis of Hydrogen Peroxide in Simulated Seawater. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202302446