北京同步輻射裝置助力二維鈷酞菁高效穩(wěn)定電催化制備H₂O₂研究取得新進(jìn)展

H2O2是一種重要的無(wú)機(jī)化學(xué)物和環(huán)境友善氧化劑，廣泛應(yīng)用于漂白、消毒、廢水處理和有機(jī)合成。在工業(yè)上，90%以上的H2O2是通過(guò)蒽醌法產(chǎn)生，然而該方法耗能大并產(chǎn)生大量有毒物。為了實(shí)現(xiàn)H2O2大規(guī)?？沙掷m(xù)生產(chǎn)，2e-氧還原反應(yīng)（2e-?ORR）被認(rèn)為是最有希望的替代方法。北京科技大學(xué)姜建壯、王康教授和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所劉云鵬助理研究員等人設(shè)計(jì)合成了一種具有波浪起伏層狀結(jié)構(gòu)、由二硫胺連接的二維鈷酞菁材料（CoPc-S-COF），并將其用于穩(wěn)定高效地電生產(chǎn)H2O2。

該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)依托北京同步輻射裝置4B9A-衍射實(shí)驗(yàn)站，開(kāi)展了Co-K邊的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)解析CoPc-S-COF中Co活性位點(diǎn)的化學(xué)態(tài)和近鄰配位結(jié)構(gòu)，闡明了CoPc-S-COF在電生產(chǎn)H2O2過(guò)程中的反應(yīng)特性和催化反應(yīng)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：S原子的引入能夠調(diào)節(jié)Co原子活性位的電子結(jié)構(gòu)，S原子的供電子效應(yīng)既導(dǎo)致活性鈷中心位點(diǎn)增加了2e- ORR的催化能力又使得H2O2分解能力失活。正是這一優(yōu)點(diǎn)，使CoPc-S-COF展示出較高的電催化?2e- ORR產(chǎn)過(guò)氧化氫選擇性（>95%）,?以及在高電流密度下（125 mA·cm-2）可持續(xù)生產(chǎn)過(guò)氧化氫20h，最終生成H2O2溶液濃度可累積到0.48 wt%，實(shí)現(xiàn)了氣體擴(kuò)散電解池中的H2O2的大規(guī)模生產(chǎn)，性能達(dá)到相關(guān)報(bào)道COF電催化合成H2O2的最好結(jié)果。

相關(guān)工作于2024年1月23日以“Dithiine-linked metalphthalocyanine framework with undulated layers for highly efficient and stable?H2O2?electroproduction”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)綜合期刊《Nature Communications》上（DOI:?10.1038/s41467-024-44899-8）。第一作者為北京科技大學(xué)博士研究生智倩君，通訊作者為北京科技大學(xué)姜建壯、王康教授和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所劉云鵬助理研究員。

該項(xiàng)工作證實(shí)了CoPc-S-COF具有良好的電催化H2O2產(chǎn)生性能，為設(shè)計(jì)和制備高性能、低成本的電催化劑以實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)的H2O2電催化產(chǎn)生提供了參考。

CoPc基COF催化劑的設(shè)計(jì)合成（上）及其Co活性位點(diǎn)近鄰結(jié)構(gòu)解析（下）