傳統工業生產H₂O₂的蒽醌工藝具有能源消耗大、有機廢物產生量大、H₂O₂在運輸和儲存過程中不穩定帶來的安全問題等缺點。通過雙電子(2e^–)氧還原反應(ORR)將O₂電還原為H₂O₂具有環境友好的有點，是替代傳統蒽醌工藝的首選。Co-N₄單原子催化劑(SAC)因其在2e^–ORR中的高活性而備受關注，然而，對于CoN₄與ORR機制之間的結構-功能關系仍然缺乏基本的見解，這限制了該方法的進一步發展。

基于此，中南大學劉敏、暨南大學朱明山和慕尼黑大學Emiliano Cortés等將理論計算與實驗相結合，在一系列制備的Co-N SAC中鑒定2e^–ORR的高活性CoN₄配位結構，以開發在酸性介質中生產H₂O₂的高性能催化劑。

研究人員首先通過理論計算對一系列Co-N基序進行篩選，發現吡咯型CoN₄具有最佳的HOO*吸附強度和最高的2e^–ORR活性。隨后進行實驗，使用熱解策略制備了三種類型的Co-N SAC(Co-N SAC Dp、Co-N SAC Pc和 Co-N SAC Mm)：Co-N SAC Dp和Co-N SAC Mm分別使用4-二甲基氨基吡啶和2-甲基咪唑的氮前體獲得，通過鈷酞菁(CoPc)的熱解獲得Co-N SAC Pc。

催化劑表征和性能測試的結果證實，Co-N SAC Dp(吡咯型CoN₄)上主要通過2e^–ORR生成H₂O₂，而吡啶型CoN₄的Co-N SAC Mm上主要發生4e^–ORR。此外，在0.1 M HClO₄中，Co-N SAC Dp的質量活度為14.4 A g_cat^-1(0.5 V vs RHE)，H₂O₂的選擇性為94%；Co-N SAC Dp在流通池中H₂O₂的生產速率為26.7 mg cm^-2 h^-1，并且在90小時內生產H₂O₂高達2032 mg。這項工作為基于SAC催化劑的ORR機制和設計并開發用H₂O₂生產的高效催化劑提供了指導。

Identification of the Highly Active Co-N₄ Coordination Motif for Selective Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c01194