北京同步辐射装置助力二维钴酞菁高效稳定电催化制备过氧化氢研究取得新进展
时间 : 2024-02-26     

过氧化氢H2O2是一种重要的无机化学物和环境友善氧化剂,广泛应用于漂白、消毒、废水处理和有机合成。在工业上,90%以上的H2O2是通过蒽醌法产生,然而该方法耗能大并产生大量有毒物。为了实现H2O2大规模可持续生产,2e-氧还原反应(2e- ORR)被认为是最有希望的替代方法。北京科技大学姜建壮、王康教授和中国科学院高能物理研究所刘云鹏助理研究员等人设计合成了一种具有波浪起伏层状结构、由二硫胺连接的二维钴酞菁材料(CoPc-S-COF),并将其用于稳定高效地电生产H2O2。  

该联合团队依托北京同步辐射装置4B9A-衍射实验站,开展了Co-K边的X射线吸收精细结构谱学实验,通过解析CoPc-S-COF中Co活性位点的化学态和近邻配位结构,阐明了CoPc-S-COF在电生产H2O2过程中的反应特性和催化反应机理。研究发现:S原子的引入能够调节Co原子活性位的电子结构,S原子的供电子效应既导致活性钴中心位点增加了2e- ORR的催化能力又使得H2O2分解能力失活。正是这一优点,使CoPc-S-COF展示出较高的电催化 2e- ORR产过氧化氢选择性(>95%), 以及在高电流密度下(125 mA·cm-2)可持续生产过氧化氢20h,最终生成H2O2溶液浓度可累积到0.48 wt%,实现了气体扩散电解池中的H2O2的大规模生产,性能达到相关报道COF电催化合成H2O2的最好结果。 

相关工作于2024年1月23日以“Dithiine-linked metalphthalocyanine framework with undulated layers for highly efficient and stable H2O2 electroproduction”为题发表在国际顶级综合期刊《Nature Communications》上(DOI:?10.1038/s41467-024-44899-8)。第一作者为北京科技大学博士研究生智倩君,通讯作者为北京科技大学姜建壮、王康教授和中国科学院高能物理研究所刘云鹏助理研究员。  

该项工作证实了CoPc-S-COF具有良好的电催化H2O2产生性能,为设计和制备高性能、低成本的电催化剂以实现工业级的H2O2电催化产生提供了参考。

 

 
CoPc基COF催化剂的设计合成(上)及其Co活性位点近邻结构解析(下) 

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