黄维院士/林良旭等人Angew.：晶格畸变和H钝化实现纯碳高效2e- ORR！

研究内容

探索廉价高效的氧还原反应(ORR)催化剂对化学和能源工业至关重要。碳材料已被证明有希望与不同的催化剂实现2e^-和4e^-ORR。尽管如此，它们的ORR活性和选择性仍然很复杂，在许多情况下仍存在争议。这些活性碳材料的许多结构在实际应用中也是化学不稳定的。

在电催化中，基本的催化要求是活性位点和吸附质之间合适的化学亲和力。2 e^-和4e^- ORR之间的选择性在于*OOH中OO键的断裂。如果碳材料可以设计成结合*OOH，不促进O-O键的离解，那么在低过电位下碳材料上的2e^- ORR是可以实现的。除了重构的、掺杂的和纯的边缘结构之外，晶格畸变在控制催化行为方面可能是至关重要的。这些畸变可以通过形成悬空态来重新分布电子态，以改善结合行为，并且可能能够实现2e^- ORR。

福建师范大学、西北工业大学黄维院士、福建师范大学林良旭和伍伦贡大学Jun Chen提出了一种策略，通过晶格畸变和H钝化(对畸变结构)的协同效应来促进碳材料的高效和稳定的2e^- ORR。进一步展示了如何在碳布上形成这些结构以及如何在这些结构上实现可重复的化学吸附，高效稳定地生产H₂O₂。相关工作以“Lattice Distortion and H-passivation in Pure Carbon Electrocatalysts for Efficient and Stable Two-electron Oxygen Reduction to H₂O₂”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition

研究要点

要点1. 作者探究了如何通过晶格畸变和H钝化(对畸变结构)的协同作用，促进碳材料实现有效的2e^- ORR。

要点2. 密度泛函理论(DFT)计算和更多的控制实验阐明，如何在碱性介质中可重复地调节电子结构，实现高效的2e^- ORR(例如，高产率和接近100%的法拉第效率)和高稳定性。

该工作不仅为解释碳材料的复杂2e^- ORR机理提供了新的知识，而且为高效电化学生产H₂O₂提供了催化剂。

研究图文

图1.（a-b）r-CC的TEM。（c-d）M-CC的TEM。（e）r-CC（左）和M-CC（右）的C 1s XPS光谱。（f）r-CC(黑色)、MCC(绿色)和KOH浸渍的M-CC(淡蓝色)的XANES。

图2.（a）在具有饱和O₂或N₂的不同电解质中获得的LSV。（b）M-CC在O₂饱和的1 M KOH中的RDE测量(插图：Cu带和M-CC粘在GC盘）。（c）在1600转/分的1 M KOH中测量M-CC(灰色)和AM-CC(绿色)的RRDE(插图：RRDE上的样品)。（d）H₂O₂产生，2e^-ORR处理为100%，法拉第效率为100%。

图3.（a）M-CC在0.65 V vs RHE下的ORR稳定性。（b）r-CC、M-CC和酸润湿M-CC的CO₂-TPD。（c）在空气和N₂下记录的EPR光谱(空气KOH：被1 M KOH润湿并在空气下测量；N₂-KOH：被鼓泡的1 M KOH的N₂润湿并在N₂下测量）。（d）M-CC的LSV作为新鲜样品测量，储存在空气、H₂O、1 M HCl和1 M KOH中不同时间(d：天；w：周)。测量的M-CC用去离子水洗涤，空气干燥，并按照箭头所示的顺序储存在不同的条件下。

图4.（a）2和4e^-ORR的M-CC火山图。（b）M-CC上的ORR自由能图，R值分别为30和35。U是相对于RHE的电极电势。（c）MCC上的2和4个e-ORR过程，R值为35。（d）扶手椅中的自旋密度分布-1H，R值为35。黄色和青色等值面分别表示正和负自旋密度。

文献详情

Lattice Distortion and H-passivation in Pure Carbon Electrocatalysts for Efficient and Stable Two-electron Oxygen Reduction to H₂O₂

Liangxu Lin,* Liang Huang, Chang Wu, Yu Gao, Naihua Miao, Chao Wu, Aaron T. Marshall, Yi Zhao, Jiazhao Wang, Jun Chen,* Shixue Dou, Gordon G. Wallace, Wei Huang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202315182

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