Illustration av forskningen. Kredit:Prof. Guans grupp
Som en av de 100 viktigaste kemikalierna i världen är väteperoxid (H2 O2 ) produceras huvudsakligen med den energi- och avfallskrävande antrakinonoxidationsmetoden (AO). AO-metoden ersätts med en mer miljövänlig elektrokemisk syrereduktionsreaktion med två elektroner (2e - ORR) är beroende av billiga och effektiva katalysatorer.
Men metallfri, kolbaserad katalysator som en lovande kandidat beter sig uppmuntrande endast under neutrala eller alkaliska förhållanden, där H2 O2 är instabil för insamling eller ogynnsam för att länka applikationer, d.v.s. e-Fenton-reaktionen. Dessutom är det fortfarande en utmaning att identifiera de verkliga aktiva katalytiska platserna och den underliggande 2e - ORR mekanism.
I en studie publicerad i Chem Catalysis , en forskargrupp ledd av professor Guan Lunhui från Fujian Institute of Research on the Structure of Matter vid den kinesiska vetenskapsakademin utvecklade en metallfri, högeffektiv sur 2e - ORR-katalysator med registrerad väteperoxidproduktionshastighet baserad på pyrimidin-assisterad aktiv platsmodulering och S, N-kodopad fålagers grafen för valens elektronisk optimering.
Katalysatorn uppvisade exceptionell aktivitet och selektivitet för 2e - ORR i syra. H2 O2 selektiviteten når 90%~100% över ett potentialområde på 0,20~0,55 V och det maximala H2 O2 produktionshastighet (4,8 mol·g -1 ·h -1 ) överstiger alla rapporterade H2 O2 produktionsprestanda för kolmaterialbaserade katalysatorer.
Experiment och simuleringar av densitetsfunktionella teorier (bidragit från Prof. Chai Guoliang) avslöjade att synergieffekten av det kombinerade oxiderade svavel- och pyridin-N-funktionella motivet kan sänka Fermi-nivån av valenselektroniska tillstånd för aktiva kantkolplatser, och därmed leder till lämplig bindningsstyrka för *OOH-mellanprodukt för hög selektivitet och prestanda 2e - ORR för H2 O2 bildning.
Speciellt observerade forskarna en uppenbar toppförskjutning till hög energi av C 1s-excitation i nära kant röntgenabsorptionsfinstruktur med S-inkorporering, som solida bevis för valens elektronisk optimering av kolkatalysatorytan.
Dessutom, i kombination med Fenton-reaktion för en elektron-Fenton-process, kan den bryta ned en modell av organisk förorening (metylenblått [MB], 50 ppm) till färglös på en kort tid av 15 minuter.
Denna studie skapar inte bara en effektiv kolbaserad katalysator för H2 O2 produktion i syra, men ger också en användbar väg för optimering av elektroniska egenskaper för framtida inställning av kolbaserade materialkatalysatorer. + Utforska vidare
