過氧化氫(H₂O₂)是一種多功能氧化劑，在環境、工業、醫療或家庭環境中有著廣泛的實際應用，并且電催化2e^?水氧化(2e^?WOR)技術為生產H₂O₂提供了一條有前景的途徑。然而，由于缺乏合適的電催化劑，要實現H₂O₂的選擇性和高產率仍是一個巨大挑戰。

基于此，北京化工大學孫曉明、鄺允和王楓梅等將Ru單原子可控地引入TiO₂中(Ru_xTi_1?xO₂)，通過電催化2e^?水氧化反應高效生產H₂O₂。

性能測試結果顯示，在3.1 V_RHE下反應10分鐘，最優的Ru_0.08Ti_0.92O₂催化劑上的H₂O₂法拉第效率最高為62.8%，H₂O₂產率為24.2 μmol min^?1 cm^?2(電流密度達120 mA cm^?2)。

同時，在3.1 V_RHE下，當Ru(3%?4%)被引入TiO₂中時，H₂O₂的法拉第效率從11.7%(TiO₂)上升到41.0%(Ru_0.08Ti_0.92O₂)，表明Ru–O–Ti中的Ru³⁺位點能夠有效將4e^?WOR途徑轉化為2e^?WOR途徑，進而有效提高H₂O₂的選擇性。

此外，Ru_xTi_1?xO₂催化劑在大范圍的摻雜濃度和電位窗口下表現出較高的H₂O₂產率和法拉第效率，在工業生產和實際操作方面顯示出巨大的潛力。

實驗結果和理論計算表明，由于金紅石型RuO₂和TiO₂晶體結構相似，Ru取代Ti中心后仍呈周期性排列，導致催化劑的電化學和結構穩定。此外，Ru原子上ΔG_*OH值接近1.76 eV，這是通過2e^?WOR產生H₂O₂的理想值，有利于實現高選擇性地生產H₂O₂。

綜上，該項工作通過引入非均相金屬單原子，有效提高了普通金屬氧化物的2e^?WOR生產H₂O₂的活性，這為設計和調整水氧化反應機理，實現穩定高效的H₂O₂合成提供了指導。

Single Atomic Ru in TiO₂ Boost Efficient Electrocatalytic Water Oxidation to Hydrogen Peroxide. Science Bulletin, 2023. DOI: 10.1016/j.scib.2023.03.003