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双电子氧还原反应（2e⁻ ORR）制备过氧化氢（H₂O₂）是传统蒽醌法的潜在替代方案，不仅简化了工艺流程，还减少了废物产生。然而，在酸性条件下实现高选择性和长期稳定的H₂O₂电合成依旧是一个重大挑战。此次研究提出，通过构建具有结晶Pt核和无定型Pt-Se壳的核壳结构催化剂，显著提高了H₂O₂的选择性和稳定性，为酸性电解质中的H₂O₂制备提供了新的解决方案。
成果简介
研究团队成功设计了具有可调厚度Pt-Se无定型壳的核壳催化剂，优化了氧的“end-on”吸附方式，实现了在酸性条件下对H₂O₂的高选择性合成。该催化剂在0.1M HClO₄中表现出超过95%的选择性，并在流动电池反应器中表现出高达250 mA/cm²的电流密度，持续400小时生成H₂O₂，H₂O₂的最终浓度达到113.2 g/L。
研究亮点
核壳结构与应力调控：通过硒化生成无定型Pt-Se壳层，引导氧在“end-on”方式下的吸附，实现更高的H₂O₂选择性。
流动电池中的高效稳定性能：Se₂-Pt催化剂在流动电池中展示了长达400小时的稳定性，展现了其在工业级应用中的潜力。
广泛的适用性：硒化应力调控策略适用于其他贵金属纳米材料，为多种电催化应用的开发提供了新的思路。
配图精析
图1：展示了Se₂-Pt核壳催化剂的合成过程及其结构特征，包括无定型Pt-Se壳层的厚度可调性。(a) 合成示意图显示了通过硒化实现的核壳结构生成及应力效应。(b) XRD图谱显示，随硒化程度增加，Pt的结晶性降低。(c) 低能量离子散射光谱（LEIS）证明表面存在Se元素，表明了无定型壳层的生成。
图2：通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和几何相位分析展示了核壳结构及应力分布。(a-d) 元素映射图显示了Se元素逐渐渗入Pt核。(e-h) HRTEM图像展示了不同硒化阶段的形貌演变。(i-l) 应变映射图揭示了应力分布，随着壳层厚度增加，生成更强的应力效应。
图3：展示了Se₂-Pt催化剂在酸性电解质中2e⁻ ORR的选择性表现。(a) RRDE曲线显示该催化剂在较宽的电位范围内对H₂O₂的选择性超过95%。(b) 不同厚度无定型壳层催化剂的电化学还原与歧化反应表明，Se₂-Pt显著抑制了H₂O₂分解。
图4：在流动电池中测试Se₂-Pt催化剂的H₂O₂电合成性能。(a) 流动电池装置示意图。(b) 在250 mA/cm²下，Se₂-Pt催化剂的H₂O₂生成浓度稳定增加，法拉第效率达到约90%。
图5：密度泛函理论（DFT）计算揭示了不同壳层厚度对催化性能的影响。(a, b) DFT结果显示，随Se含量增加，壳层厚度适中的Se₂-Pt具有最佳的O₂吸附模式和适中的*OOH结合能，显著提升了H₂O₂的选择性。
图6：验证了硒化策略的广泛性，Se-Pd和Se-商用Pt/C展示了优异的2e⁻ ORR性能，证明了该策略在调控ORR反应路径方面的通用性。
展望
该研究通过硒化应力调控策略成功提高了2e⁻ ORR的选择性和稳定性，为酸性H₂O₂电合成提供了创新方案。这一策略的广泛适用性不仅限于Pt，还适用于其他贵金属，为未来可持续能源应用中的电催化剂设计提供了全新视角。
文献信息
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-53607-5
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53607-5
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