雙摻雜無(wú)金屬碳纖維電催化劑,大規(guī)模合成H2O2
電催化雙-電子氧還原反應(yīng)（2e? ORR）制取的過(guò)氧化氫（H2O2）廣泛應(yīng)用于造紙、廢水處理、液體燃料生產(chǎn)和公共衛(wèi)生等領(lǐng)域，而當(dāng)前工作集中于研究低成本、大規(guī)模、可持續(xù)的高活性和選擇性電催化劑。
基于此，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）Andrea Fratalocchi、電子科技大學(xué)牛曉濱教授和西南交通大學(xué)楊建助理教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種基于氟（F）和硫（S）雙摻雜的無(wú)金屬碳纖維電催化劑，用于大規(guī)模的合成H2O2。優(yōu)化后的催化劑具有0.814 V的高起始電勢(shì)，幾乎達(dá)到了99.1%的理想2e?途徑選擇性，優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的碳基或金屬基電催化劑。
作者利用DFT計(jì)算了不同摻雜情況下中間體和碳活性位點(diǎn)之間的自由能擴(kuò)散，并比較了2e?/4e? ORR路徑下的自由能位壘。在每個(gè)模型中，作者整合了*OOH中間體的不同吸附位點(diǎn)以及*OOH與模型平面之間的吸附角，以篩選總能量最低的吸附位點(diǎn)。純CFs對(duì)*OOH的物理吸附非常弱，C-O鍵長(zhǎng)為2.8 ?。在CFs中引入S摻雜劑后，CFs的吸附量比CFs高，但鍵合強(qiáng)度值仍較弱，C-O鍵合長(zhǎng)度為2.3 ?。F-CFs構(gòu)型中的C-O鍵長(zhǎng)為1.4 ?，表明活性位點(diǎn)上有較高的*OOH中間化學(xué)吸附。
在FS-CFs中，F(xiàn)和S摻雜后，由于分子間電荷轉(zhuǎn)移和電子自旋重分布，相鄰的F和S原子改變了附近碳活性位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)。由于這種相互作用，C-O鍵長(zhǎng)減少到1.5 ?，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的化學(xué)吸附。原始CFs表現(xiàn)出0.326 V的過(guò)電位，導(dǎo)致*OOH的弱吸附。當(dāng)在碳基體中單獨(dú)引入F和S摻雜劑時(shí)，2e? ORR中的過(guò)電位分別變?yōu)?.499 V和0.239 V。在所有DFT模型中，F(xiàn)S-CFs的過(guò)電位最低，為0.126 V。
Enhanced Selectivity in the Electroproduction of H2O2 via F/S Dual-Doping in Metal-Free Nanofibers. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202208533.
https://doi.org/10.1002/adma.202208533.
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