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Angew.: 用于高電流密度選擇性H2O2電合成的超配位鎳N4Ni1O2位點單原子催化劑

在單原子催化劑上由O₂電化學生產過氧化氫(H₂O₂)引起了極大關注，但在工業相關電流密度 (>100 mA?cm^?2）下實現>90%的法拉第效率（FE）推動了對堅固催化劑的追求。

在此，華東理工大學李春忠和李宇航等合成了一種催化劑，該催化劑包含由四個氮原子和兩個氧原子（即N₄Ni₁O₂）配位的單個鎳位點，通過將羧基功能化的多壁碳納米管作為底物為常規 NiN₄位點提供額外的O配位。在200 mA?cm^-2 電流密度下，它的陰極能效約為82?%，H₂O₂ FE約為96%，優于已報道的H₂O₂電合成單原子催化劑。

為了研究超配位 N₄Ni₁O₂結構對2e^–ORR的關鍵作用，通過密度泛函理論(DFT)模擬研究了NiN₄、N₄N_i1C、N₄Ni₁O₁、N₄N_i1O₂和純OCNT模型。構建了 N₄Ni₁O₂表面上反應中間體的構型（圖 S12）和2e^–/4e^– ORR的自由能圖（圖 3f 和表 S2-S3）。2e^?/4e^? ORR涉及兩個競爭反應決定活性：（I）*OOH+（H⁺+e^–）→*O+H₂O；(II) *OOH+(H⁺+e^–)→H₂O₂（其中*代表活性位點上的吸附中間體）。H₂O₂的選擇性可以通過OOH*解吸或OOH*分解為O*和OH^–的勢壘來確定。N₄Ni₁O₂結構上的2e^– 途徑受到青睞，因為OOH*解吸(0.31 eV)低于OOH*解離(0.33 eV)。與其他樣品（N₄Ni₁O₁：0.40 eV，OCNT：0.44 eV，N₄Ni₁C₁：1.14 eV，NiN₄：1.15 eV）相比，這種低OOH* 解吸表明，通過額外的兩個配位O原子，N₄Ni₁O₂有利于反應動力學，從而提高2e^– ORR性能。

Chuqian Xiao, Ling Cheng, Yihua Zhu, Gengchao Wang, Luyang Chen, Yating Wang, Rongzhen Chen, Yuhang Li, Chunzhong Li. Super-Coordinated Nickel N4Ni1O2 Site Single-Atom Catalyst for Selective H2O2 Electrosynthesis at High Current Densities. Angewandte Chemie, 2022

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202206544

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Angew.: 用于高電流密度選擇性H2O2電合成的超配位鎳N4Ni1O2位點單原子催化劑

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