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苏州大学陈子亮/康振辉，AFM！

学术   2024-11-17 08:31   广东  
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在温和的水条件下的电化学双电子氧还原反应(2e−ORR)为H2O2的可持续生产提供了一种有效的途径。近年来，一系列过渡金属(如Zn、Co、Ni)化合物被用作2e−ORR电催化剂。在这些化合物中，Ni基化合物具有独特的中间体吸附热力学，通常导致高选择性。
尽管对Ni基材料的研究取得了显著的进展，但是以前报道的大多数Ni基电催化剂只关注对2e−ORR的热力学调节，反应动力学差的问题仍然，阻碍了在工业级电流密度下有效和稳定地生产H2O2。因此，通过设计先进的Ni基电催化剂来进一步调节界面反应动力学成为H2O2生产工业化的关键。
近日，苏州大学陈子亮、康振辉和柏林工业大学Prashanth W. Menezes等通过一个简单的相重构策略，成功地合成了草酸基功能化的层状Ni(OH)2催化剂(Ni(OH)2-C2O4)，实现了工业级电流密度下H2O2高效生产。实验结果表明，所制备的Ni(OH)2-C2O4催化剂在0.0-0.5 VRHE的电位范围内对H2O2的选择性超过90%，在0.42 VRHE时的选择性达到95%的峰值。
值得注意的是，当Ni(OH)2-C2O4催化剂作为气体扩散电极用于流动池时，在200 mA cm-2电流密度下可以稳定运行50小时，H2O2法拉第效率超过90%，生产速率为6.2 mol gcat-1 h-1，性能优于大多数文献报道的大多数过渡金属基电催化剂。
原位光谱表征和理论计算表明，吸附在Ni(OH)2表面上的草酸基团在整个ORR过程中保持稳定和有效。草酸盐基团不仅诱导了电荷捕获效应，加速了缓慢的电荷转移过程，并且选择性地将这些电子转移到O2分子上，加速了O2的活化以及转化为活性*OOH物种。
此外，草酸基团使金属中心附近的质子浓度增加，质子浓度越高，金属中心附近的氧原子越有利于质子转移，进而促进*OOH的解吸和H2O2的形成。因此，草酸基团的引入不仅保持了O-O键的稳定性，而且捕获了电子并吸引了质子，有效地优化了活性Ni中心与反应物之间的界面反应动力学。
综上，该项研究揭示了草酸基团加速2e−ORR动力学的反应机制，为研究ORR机理和优化催化剂设计提供了理论基础。
Phase reconstruction-directed synthesis of oxalate-functionalized nickel Hydroxide electrocatalyst for high-yield H2O2 generation at industrial currents. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202412198

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