JACS：鉴别高活性Co−N4配位基序，实现选择性氧还原制H2O2

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电催化氧还原反应（ ORR ）合成过氧化氢（ H ₂ O ₂ ）是获得化学工业基础产物的一条环境友好、可持续发展的途径。 Co-N ₄ 单原子催化剂在 2e ⁻ 和  4e ⁻ ORR 反应中均表现出较高的活性，可分别生成 H ₂ O ₂ 和 H ₂ O 主要产物。然而，人们对于 Co-N ₄ 与该系列催化剂上的 ORR 反应机理之间的结构 - 功能关系，目前还缺乏基本的认识。

近日， 暨南大学朱明山教授，慕尼黑大学 Emiliano Cortés ，中南大学 Min Liu 在一系列制备的 Co-N SACs 中识别用于 2e ⁻ ORR 的高活性 Co-N ₄ 配位结构，以开发在酸性介质中制取 H ₂ O ₂ 的高性能催化剂。

要点2 .   实验中，采用热解策略制备了三种 Co-N SACs （ Co-N SAC _Dp 、 Co-N SAC _Pc 和 Co-N SAC _Mm ）。分别以 4- 二甲氨基吡啶和 2- 甲基咪唑的氮前驱体合成 Co-N SAC _Dp 和 Co-N SAC _Pc ，而 Co-N SAC _Mm 的合成过程中涉及钴酞菁 (CoPc) 的热解。

要点3 .   催化剂表征和性能评价结果表明， Co-N SAC _Dp （吡咯型 Co-N ₄ ）主导了 2e ⁻ ORR 途径，而具有吡啶型 Co-N ₄ 的 Co-N SAC _Mm 则主导 4e ^- ORR 。令人印象深刻的是， Co-N SAC _Dp 在 0.1 M HClO ₄ 中表现出 14.4 A g _cat ^-1 （ 0.5V vs RHE ）的显著质量活性和 94% 的 H ₂ O ₂ 选择性。此外， Co-N SAC _Dp 具有 26.7 mg cm ^-2 h ^-1 的显著 H ₂ O ₂ 生成速率，并且在流动池中持续 90 h 的 H ₂ O ₂ 产量高达 2032 mg ，导致例如卡马西平（ CBZ ）的实际电芬顿降解。

这项工作为基于 SAC 催化剂的 ORR 机理和开发用于 H ₂ O ₂ 生产的高效催化剂提供了重要的见解。

Shanyong Chen, et al, Identification of the Highly Active Co-N ₄ Coordination Motif for Selective Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide, J. Am. Chem. Soc., 2022

DOI: 10.1021/jacs.2c01194

https://doi.org/10.1021/jacs.2c01194

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