原文链接：https://www.nature.com/articles/s44160-024-00722-2
灵魂1问：为什么做这个事
过氧化氢（H₂O₂）对于化学合成、水处理和医疗保健等领域至关重要，其全球市场价值预计到2027年将超过40亿美元。目前工业上主要采用蒽醌法合成H₂O₂，但这种方法存在能耗高、流程复杂且不环保等问题。而通过氧气还原反应电合成H₂O₂是一种可持续的替代方法，然而当前催化剂和系统的能量效率（EE）较低，阻碍了其工业应用。
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灵魂2问：前人是如何解决的
前人尝试通过优化催化剂以提高活性和选择性，或优化电极系统以降低电池电阻来提升EE。例如，表面功能化的碳材料在>100 mA cm⁻²时可展现出高达90%的法拉第效率（FE），但需要更高的过电位，导致全电池EE较低。通过在含氧官能团的碳基底中引入孤立的金属位点，可进一步降低整体电池电压，但目前报道的最高EE仅为22%，稳定性不足100小时，这些都远远不够实现潜在的商业化应用。未解决的本质在于缺乏一种能够同时实现高活性、高选择性以及高稳定性的催化剂，以满足工业上对EE和电流密度的要求。
灵魂2问：前人是如何解决的
前人尝试通过优化催化剂以提高活性和选择性，或优化电极系统以降低电池电阻来提升EE。例如，表面功能化的碳材料在>100 mA cm⁻²时可展现出高达90%的法拉第效率（FE），但需要更高的过电位，导致全电池EE较低。通过在含氧官能团的碳基底中引入孤立的金属位点，可进一步降低整体电池电压，但目前报道的最高EE仅为22%，稳定性不足100小时，这些都远远不够实现潜在的商业化应用。未解决的本质在于缺乏一种能够同时实现高活性、高选择性以及高稳定性的催化剂，以满足工业上对EE和电流密度的要求。
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灵魂3问：本文创新思路
本文基于理论计算指导，设计了一类氧官能团配位的p区主族金属单中心催化剂。研究发现，氧官能团通过电子相互作用诱导电子缺乏的Sn位点，优化了关键H₂O₂中间体的吸附强度。以Sn₁/C(O)作为阴极催化剂，在电解池中实现了300 mA cm⁻²的工业电流密度、1.17 V的超低电池电压，达到了43%的EE，并且稳定性超过200小时。
灵魂3问：本文创新思路
本文基于理论计算指导，设计了一类氧官能团配位的p区主族金属单中心催化剂。研究发现，氧官能团通过电子相互作用诱导电子缺乏的Sn位点，优化了关键H₂O₂中间体的吸附强度。以Sn₁/C(O)作为阴极催化剂，在电解池中实现了300 mA cm⁻²的工业电流密度、1.17 V的超低电池电压，达到了43%的EE，并且稳定性超过200小时。
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灵魂4问：创新思路的难点
难点在于如何精确调控p区主族金属位点的电子性质，使其既能与关键中间体有合适的相互作用以实现高效的H₂O₂合成，又能保持在工业相关电流密度下的高活性和高选择性。此外，还需要确保催化剂在长时间运行过程中的稳定性，以满足工业生产的实际需求。
灵魂4问：创新思路的难点
难点在于如何精确调控p区主族金属位点的电子性质，使其既能与关键中间体有合适的相互作用以实现高效的H₂O₂合成，又能保持在工业相关电流密度下的高活性和高选择性。此外，还需要确保催化剂在长时间运行过程中的稳定性，以满足工业生产的实际需求。
灵魂5问：如何应对新难点
作者通过理论计算筛选主族金属（理论指导实验），设计了不同数量、类型和分布的氧官能团修饰的MM/C(O)催化剂（MM=In, Sn或Sb），并研究了它们的稳定性、活性和选择性。实验中，采用冰冻光化学方法将金属原子锚定在氧化碳黑上，制备了Sn₁/C(O)催化剂，并利用多种表征手段验证了氧官能团对金属位点的影响。结果表明，Sn₁/C(O)催化剂在三电极体系中展现出更正的起始电位和最高的FE，通过原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）证实了其遵循OOH*介导的两电子ORR路径。在工业规模的H₂O₂电合成测试中，Sn₁/C(O)基电解池在400 mA cm⁻²的电流密度下，仅需1.3 V的电池电压，H₂O₂的选择性始终保持在90%以上，且在300 mA cm⁻²的电流密度下连续运行200小时，FE保持在90%以上，电池电压仅下降0.04 V。此外，基于两室电解池的结果进行的技术经济分析显示，使用 Sn₁/C(O) 的 H₂O₂ 生产成本显著低于最低市场价格。
图 H2O2电合成的技术经济分析
图 ORR 活性和选择性的理论预测
图 Sn1/C(O)的合成及结构表征
图 三电极体系电化学性能
图 双室电解槽中的 H2O2 电合成
图 H2O2 电化学合成中的能耗指标总结
