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宁波材料所在电化学制备过氧化氢研究中取得进展
发布时间:2020-11-06 来源:宁波材料技术与工程研究所 访问:

  过氧化氢(H2O2)作为一种环境友好型氧化剂,在医用消毒、污水处理、纸浆漂白、精细化工等领域被广泛应用,且呈现不断增长趋势。工业上H2O2通过蒽醌循环法实现大规模制备,但此过程耗能高、污染严重、需大型生产设备,同时高浓度的H2O2运输存在安全隐患。与此相比,利用简易的电化学装置,通过2e-的电化学氧还原反应(2e- ORR)过程制备H2O2,可有效避免H2O2的大规模运输,实现H2O2现制现用,具有安全便携、绿色环保的特点,具有广阔发展前景,该技术的核心是开发新型高效、低成本的电催化剂。因此,深刻理解催化反应机制,建立催化剂结构与性能之间的“构效关系”具有重要的现实意义。

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈亮、陆之毅团队,通过理论模拟,发现原子级分散的Lewis酸性位点(M-O,M = Al、Ga)具有提升含氧碳(O-C)材料电化学制备H2O2的潜在能力(Nat. Commun. 2020,11,5478)。计算结果表明,M-O有效调节相邻C催化位点的电子结构,优化反应中间体(*OOH)在催化位点上的吸附-脱附强度(图1)。实验中,研究人员以具有高含量M-O成分的同构MOF(Al-MIL-53、Ga-MIL-53)为前驱体,通过热解、碱洗,制备出具有原子级分散的Lewis酸位点的O-C(M)材料(图2)。催化结果表明,O-C(M)的碱性2e- ORR催化性能随催化剂Lewis酸性增加而显著增长,两者呈正相关。Lewis酸性最强的O-C(Al)呈现出最佳的2e- ORR催化性能(图3)。

  此外,O-C(Al)在中性2e- ORR中具有优异的催化活性和稳定性,这对H2O2的实际应用具有重要意义。在30 mA·cm-2的电流密度下,1小时内H2O2的产量达到~867ppm(选择性为92%),可用于纸张的漂白(图4)。该研究为电化学制备H2O2提供了高效、低成本的电催化剂,具有潜在应用价值。

  研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研究开发计划、博士后创新人才支持计划、中国博士后科学基金等的支持。

 src=http://www.cas.ac.cn/syky/./W020201106505283812334.png图1.(a)理论计算模型;(b)2e- ORR催化性能的模拟火山图;(c)Lewis酸性位点对邻近C原子电子结构的影响

 src=http://www.cas.ac.cn/syky/./W020201106505905496102.png图2.(a-c)O-C(Al)的SEM、HRTEM和ac-STEM;(d)XRD;(e)XPS;(f)固体核磁;(g-h)同步辐射数据

 src=http://www.cas.ac.cn/syky/./W020201106506021562777.png- ORR活性、选择性及Tafel斜率;(d)高过电位下的2e- ORR的选择性;(e)O-C(Al)的2e- ORR稳定性;(f)NH3-TPD性能;(g)Lewis酸性和2e- ORR性能的关联性

 src=http://www.cas.ac.cn/syky/./W020201106506161084210.png图4.(a-c)中性条件下2e- ORR活性、选择性及稳定性;(d)H-cell测试;(e)纸张漂白实验

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