调控电合成H2O2的多孔石墨烯催化剂活性位点

背景简介

近年来，在Covid-19大流行的刺激下，随着整个医疗保健行业和消费者对消毒和清洁的抗菌需求不断增加，人们对稀释过氧化氢(H2O2)生产的研究越来越感兴趣。这种全世界的关注推动了通过双电子(2e-)氧还原反应(ORR)直接现场生成H2O2的研究。然而，这种电催化反应由于反应缓慢和通过热力学更有利的4e-途径的竞争反应而导致性能不令人满意。

许多研究都集中在开发具有可调结构的2e- ORR 电催化剂，例如贵金属和合金、过渡金属基催化剂和碳基电催化剂 (carbon-based electrocatalysts or CBE)。其中，CBE应该是最具有可持续行和技术经济性趋势的突出催化剂选项。尽管研究者通过缺陷工程对改善 CBE 的 2e- 性能做出了许多努力，但精确控制固有晶格缺陷仍然存在实际挑战，这是进一步提高活性和选择性的主要障碍。

解决的问题

本工作报告了一种通过原子尺度结构工程解决上述问题的方法，该方法使用氧化多孔石墨烯 (O-HGr) 来实现高选择性 2e- ORR。设计的石墨烯是通过“冲压”工艺然后氧化制备的。更详细地说，我们不是控制固有的缺陷簇，而是将它们去除，通过在空气中进行简单的热处理，在石墨烯的基面上留下纳米孔。然后纳米孔的边缘用特定的氧基团进行功能化，包括醚（C-O-C）和羰基（C=O）基团。因此，随着将不可预测的内在缺陷减少到与孔边缘的氧基组合形成统一的活性位点，我们制备的O-HGr由于拥有固有的晶格缺陷区，可以获得与氧化石墨烯（O-Gr）相比更高的活性和选择性。

主要亮点

制备的O-HGr表现出 0.78 V（相对于 氢参比电极RHE）的起始电位值（该值接近热力学平衡电位）以及 2360 mol kgcat-1 h-1 的高 H2O2 产率（~97% 法拉第效率）。此外，在很宽的电位范围内，O-HGr 的平均 H2O2 选择性值为 95%，超过了先前报道的电催化剂。密度泛函理论计算进一步表明，2e- ORR 最活跃的位点是醚和羰基在孔边缘的协同作用，过电位几乎为零。

审核编辑：刘清