ACS Catalysis：介孔碳空心微球作为中性电解液中氧还原为过氧化氢的高效电催化剂

Nanoyu

2020-06-11

过氧化氢是工业中广泛使用的重要化学物质。双电子电化学氧还原反应（2e^- ORR）是一种清洁，现场的H₂O₂生产策略。

有鉴于此，中科院福建物构所柴国良研究员报道了在中性电解液（0.1 M PBS）中可高效生产H₂O₂的无金属电催化剂（介孔碳空心球，MCHS）。

文章要点

1）研究人员以间苯二酚、甲醛、正硅酸四丙酯（TPOS）和正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体合成介孔碳空心球(MCSH)。首先，硅源经过水解和缩合，形成硅核和作为模板的二氧化硅颗粒。然后，将二氧化硅颗粒和间苯二酚-甲醛(RF)低聚物缩合到二氧化硅核心颗粒上，以形成SiO₂@SiO₂/RF核壳结构。其次，SiO₂@SiO₂/RF经过高温碳化后转变为SiO₂@SiO₂/C。最后，碳化除去SiO₂后形成MCHS。通过调节TPOS与TEOS的比例，可以得到不同孔径、不同含氧量的碳空心微球。

2）SEM图像显示，MCHS-9：1呈均匀的球形。同时，在TEM图像中可以观察到中空的形貌和径向孔道。腔的直径约为300-400 nm，碳壳的厚度为70 nm。径向通道的空心形态和结构特征可以增加比表面积。这有利于氧还原过程中的传质。元素映射显示，碳和氧原子都是均匀分散的。此外，从MCHS-TEOS TEM图像显示，壳层中只有微孔。

3）在较宽的电势范围（0.35-0.62 V）下，MCHS催化剂上H₂O₂的选择性高于90％，而在0.57 V的电压下可以达到99.9％。这是在中性电解质中生产H₂O₂的最佳性能之一。此外，由于用于H₂O₂的稳定剂的pH也接近中性，因此选择在中性环境中开发H₂O₂催化剂。

4）催化剂的优异活性是源于合适的孔隙率、含氧官能团的含量和不同种类的含氧官能团种类等因素综合作用的结果。第一性原理计算表明，具有合适的氧和COOH混合官能团的催化剂对H₂O₂的催化生成起着重要作用。

Yongyu Pang, et al, Mesoporous Carbon Hollow Spheres as Efficient Electrocatalysts for Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide in Neutral Electrolytes, ACS Catal., 2020

DOI: 10.1021/acscatal.0c00584

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c00584