題目：High-efficiencyoxygen reduction to hydrogen peroxide catalyzed by Ni single atom catalystswith tetradentate N2O2 coordination in a three-phase flowcell
期刊：AngewandteChemie International Edition
影響因子：12.257
發(fā)表時間：2020.4.27
第一作者：YulinWang, Run Shi, Lu Shang, Jiaqi Zhao
通訊作者：張鐵銳
第一作者單位：KeyLaboratory of Photochemical Conversion and Optoelectronic Materials, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences
原文鏈接： https://doi.org/10.1002/anie.202004841
編譯：蘇佳楠 云南大學(xué) 材料與能源學(xué)院
摘要
過氧化氫（H2O2）在當(dāng)今的化學(xué)工業(yè)中被廣泛用作氧化劑和漂白劑，同時還被用作醫(yī)學(xué)上的溫和防腐劑。在過去的幾年中，研究人員把目光瞄準(zhǔn)了低成本的電催化劑，該催化劑可以選擇性地將雙氧（O2）還原為H2O2，迄今為止取得了一定的成功。本文中，我們報告了通過簡單的“席夫堿配體調(diào)節(jié)”熱解策略成功合成具有四齒Ni-N2O2配位的碳負(fù)載Ni（II）單原子催化劑。簡而言之，是Ni(II)席夫堿絡(luò)合物 (R, R)- (-)-N, N'-雙(3,5-二叔丁基水楊基)-1,2-環(huán)己二胺 (Jacobsen配體) 被吸附到炭黑載體上，然后在300 oC的Ar中熱解改性碳材料。所獲得的Ni-N2O2/C催化劑在堿性條件下通過兩電子轉(zhuǎn)移過程將O2電催化還原為H2O2表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極測試中實(shí)現(xiàn)的H2O2選擇性為96％。使用三相液流池，在70 mA cm-2的電流密度下，H2O2的生產(chǎn)速率為5.9 mol gcatalyst-1 h-1，在8小時的測試中保持了良好的催化劑穩(wěn)定性。此外，Ni-N2O2/C催化劑可以高電流密度將空氣中的O2電催化還原為H2O2，仍然提供高H2O2選擇性（> 90％）。精確的Ni-N2O2配位是實(shí)現(xiàn)這一出色性能的關(guān)鍵，它指導(dǎo)了用于將O2選擇性還原為H2O2的金屬單原子催化劑的未來發(fā)展。
背景
過氧化氫（H2O2）在化學(xué)工業(yè)中被廣泛用作氧化劑和漂白劑，并具有多種其他用途。H2O2被認(rèn)為是綠色氧化劑，因?yàn)樗闹饕趸a(chǎn)物是水（H2O2 + 2H+ + 2e-→2H2O）。H2O2是通過蒽醌工藝在工業(yè)上制造的。該方法能耗大，因?yàn)樗褂脷錃猓℉2）作為原料，因此限制了H2O2作為可持續(xù)且低成本的綠色氧化劑的潛力。近年來，已經(jīng)研究了通過熱催化由H2和O2合成H2O2的方法。但是，這種熱催化途徑制得的H2O2同樣昂貴，并且存在爆炸的潛在危險。一種有趣的替代方法是使用氧氣還原反應(yīng)（ORR）選擇性生成H2O2（在酸性條件下為O2 + 2H+ + 2e-→H2O2，或在堿性條件下為O2 + H2O + 2e-→HO2-+ OH-），如果由可再生電力驅(qū)動，將代表一種非常綠色的H2O2合成策略。某些貴金屬催化劑，例如Au-Pt-Ni合金，Pt/S摻雜的沸石模板碳和Au-Pd納米合金，對于將O2電催化還原為H2O2表現(xiàn)出良好的性能。然而，這些貴金屬的高成本和低地球豐度是大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。碳負(fù)載金屬單原子催化劑（SAC）最近成為ORR催化劑開發(fā)的新途徑，大多數(shù)研究集中在生產(chǎn)具有M-N4活性位點(diǎn)的金屬SAC（即卟啉類或酞菁類金屬配位中心）。這些研究最終證明了某些金屬SAC（例如Fe-N4，Ni-N4和Co-N4位）促進(jìn)四電子電催化將O2還原為水或氫氧根離子的能力（即O2 +4H+ + 4e-→在酸性條件下為2H2O，或在堿性條件下為O2 + 2H2O + 4e-→4OH-）。在嘗試開發(fā)用于H2O2合成的金屬SAC時，可以從均相催化中找到啟發(fā)，其中某些金屬席夫堿催化劑可以將O2選擇性還原為H2O2。實(shí)際上，許多均相的席夫堿金屬電催化劑在低超電勢下都具有良好的H2O2選擇性。這種席夫堿金屬催化劑通常包含由兩個O原子和兩個N原子配位的金屬中心（即四齒M-N2O2協(xié)調(diào)）。然而，這些均相催化劑通常需要有機(jī)反應(yīng)介質(zhì)來適應(yīng)間歇式電解系統(tǒng)（例如“ H池”）的傳質(zhì)限制。此外，由于在大多數(shù)電解質(zhì)中O2的溶解度低，因此難以實(shí)現(xiàn)高速率的H2O2，難以再循環(huán)均相催化劑是進(jìn)一步的限制。我們假設(shè)通過制造具有席夫堿樣M-N2O2位點(diǎn)的碳載金屬單原子催化劑，應(yīng)該有可能實(shí)現(xiàn)在高電流密度下在水性介質(zhì)中將O2還原為H2O2的有效電子催化劑。本文中，我們使用簡單的“席夫堿配體調(diào)節(jié)”熱解策略成功合成了具有Ni-N2O2位點(diǎn)的碳負(fù)載鎳SAC（本文稱為Ni-N2O2/C）。首先用乙酸鎳（II）和席夫堿配體 (R, R)- (-)-N, N'-雙(3,5-二叔丁基水楊基)-1,2-環(huán)己二胺 (Jacobsen配體) 合成了Ni(II)席夫堿絡(luò)合物。然后將Ni（II）絡(luò)合物吸附到炭黑載體上，然后在300 oC的Ar中進(jìn)行熱解（圖1a）。熱解步驟在炭黑載體的表面上產(chǎn)生Ni-N2O2基團(tuán)，其中Ni負(fù)載量為~2.0wt.％。旋轉(zhuǎn)圓盤電極（RRDE）ORR測試表明，Ni-N2O2/C催化劑在0.1 M KOH中將O2電化學(xué)還原為H2O2具有出色的活性和選擇性。實(shí)現(xiàn)了96％的H2O2選擇性，這是迄今針對非貴金屬電催化劑報道的最高H2O2選擇性之一。通過在三相液流池中使用Ni-N2O2/C催化劑，H2O2的選擇性達(dá)到91％，實(shí)現(xiàn)了5.9 mol gcatalyst-1 h-1的卓越H2O2生產(chǎn)率。三相液流池可通過確保在陰極處保持高濃度的O2來實(shí)現(xiàn)高電流密度，從而克服了O2在水介質(zhì)中固有的低溶解度和低擴(kuò)散率，這通常會限制ORR中H2O2的釋放速率和均相電催化。因此，智能催化劑設(shè)計(jì)（引入Ni-N2O2位點(diǎn)）和三相液流池的結(jié)合使得O2在堿性溶液中可以高效地雙電子還原為H2O2。
結(jié)果與討論
Ni-N2O2/C催化劑的制備方法是將Jacobsen-Ni絡(luò)合物浸漬在炭黑上（Ketjenblack?EC-300J），然后在Ar下于300 oC進(jìn)行熱解步驟。圖1b顯示了炭黑，復(fù)合改性碳和Ni-N2O2/C催化劑的粉末X射線衍射（XRD）圖。經(jīng)復(fù)合物修飾的碳在2θ= 10-30o范圍內(nèi)顯示出許多峰，可以將其歸因于Jacobsen-Ni復(fù)合物和Jacobsen配體。在熱解步驟之后，由Jacobsen-Ni絡(luò)合物和Jacobsen配體引起的峰消失了，僅留下與半石墨化碳的（002）和（100）反射相關(guān)的峰。沒有看到由于鎳納米顆粒引起的峰，這意味著存在的任何鎳都高度分散或處于非晶態(tài)。拉曼光譜表明，熱解樣品還在1330和1580 cm-1處顯示兩個峰，這歸因于D譜帶（無序sp3碳的程度）和G譜帶（石墨sp2碳的程度）。透射電子顯微鏡（TEM）證實(shí)，熱解步驟后未形成鎳納米顆粒（圖1c），與XRD結(jié)果一致。為了確定Ni-N2O2/C中存在的Ni是否原子分散在炭黑載體上，應(yīng)用了球差校正的高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）。在Ni-N2O2/C的HAADF-STEM圖像中可以觀察到亮點(diǎn)（圖1d），這證實(shí)了Ni是原子分散在炭黑載體上的。能量色散X射線光譜（EDS）映射（圖1e-g）顯示，Ni，N，O和C的分布非常均勻，與負(fù)載的Ni SAC一致。
圖1.（a）Ni-N2O2/C的合成方案。（b）炭黑，加熱前的Jacobsen-Ni/C前體和Ni-N2O2/C的XRD圖譜。（c）Ni-N2O2/C的TEM圖像。（d）Ni-N2O2/C的代表性HAADF-STEM圖像。（e-g）Ni-N2O2/C的EDS元素圖。
由于Jacobsen-Ni絡(luò)合物具有Ni2+（即Ni-N2O2）的四齒配位，因此特別有趣的是，在形成Ni-N2O2/C催化劑時，是否保持相同的Ni-N2O2配位和Ni2+氧化態(tài)。文獻(xiàn)報道，在500 oC以下具有Ni（II）的氮和氧原子都能產(chǎn)生N/O配位。Ni的K邊緣擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）用于研究Ni-N2O2/C催化劑中鎳單原子的價態(tài)和局部配位環(huán)境。為了進(jìn)行比較，按照該方法，合成了具有卟啉樣結(jié)構(gòu)（Ni與四個N原子配位，在本文中表示為Ni-N4/C，含?2.2 wt.％Ni）的傳統(tǒng)碳基NiSAC作為參考催化劑。Ni K邊緣X射線吸收光譜（XAS）光譜的X射線吸收近邊緣結(jié)構(gòu)（XANES）區(qū)域提供了有關(guān)Ni-N2O2/C中Ni的價態(tài)的關(guān)鍵信息（圖2a）。Ni-N2O2/C中的Ni吸收邊緣位置在光子能量上高于金屬Ni，但在能量上低于NiO參比。氮的負(fù)電性低于氧，這意味著Ni(II)-N2O2的吸收邊緣位置將低于NiO中的Ni(II) 的吸收邊緣位置。Ni-N2O2/C的Ni K-邊緣 XANES光譜幾乎與Jacobsen-Ni絡(luò)合物（含Ni2 +）的Ni K-邊緣 XANES光譜相同，這一事實(shí)使人們有理由認(rèn)為Ni-N2O2/C包含Ni（II）-N2O2 SAC位點(diǎn)。還應(yīng)注意，Ni-N2O2/C和Ni-N4/C催化劑的XANES光譜完全不同，從而消除了Ni-N2O2/C催化劑包含Ni-N4位的可能性。相應(yīng)的Ni K邊緣R空間圖（圖2b）提供了進(jìn)一步的證據(jù)，表明Ni-N2O2/C催化劑在鎳配位方面類似于Jacobsen-Ni絡(luò)合物。Ni-N2O2/C催化劑的特征峰是在1.42?處，與擁有Ni-N2O2局部環(huán)境的Jacobsen-Ni絡(luò)合物相同。該鍵長比Ni-Ni距離2.20 ?小得多。對于金屬鎳箔，NiO中的Ni-Ni距離為2.60 ?，小于NiO中的Ni-O距離（1.65 ?）。Ni-N4/C催化劑的Ni-N距離為1.40 ?，略小于Ni-N2O2/C催化劑的特征值（1.42 ?）。Ni-N2O2/C和Ni-N4/C催化劑中的鎳配位數(shù)是根據(jù)Ni K-邊緣 EXAFS振動光譜的傅里葉變換確定的。結(jié)果表明，在兩種催化劑中，Ni的配位數(shù)均為?4（分別與Ni-N2O2和NiN4的幾何形狀一致）?？傮w而言，Ni K邊緣特征研究表明，Ni-N2O2/C中Ni原子的氧化態(tài)和局部環(huán)境與Jacobsen-Ni（即Ni2+-N2O2）中的非常相似。
圖2.（a）Ni-N2O2/C，Jacobsen-Ni，Ni-N4/C和各種鎳參考材料的Ni K-edge XANES光譜，以及（b）Ni K-edge EXAFS的相應(yīng)的k2加權(quán)傅里葉變換光譜。（c）Ni-N2O2/C的N 1s XPS光譜和（d）Ni 2pXPS光譜。
使用X射線光電子能譜（XPS）進(jìn)一步分析了Ni-N2O2/C的近表面區(qū)域元素組成。調(diào)查光譜顯示，材料中Ni，O，N和C共存。在C，Ni和N區(qū)域收集了窄掃描光譜，以探測這些元素的形態(tài)（圖2c，2d和圖S8）。C 1s光譜被解卷積為四個分量，分別對應(yīng)于C-C/C=C(~284.5 eV)，C-N（285.6 eV），C-O（~286.1eV）和C=O（?287.4 eV）。在N 1s光譜中，鑒定出四個成分：吡啶氮（~398.2 eV），N-Ni（~399.5 eV），吡咯氮（~400.5eV）和石墨氮（~401.1 eV）（圖S8）。Ni-N2O2/C的Ni 2p XPS光譜以2：1面積比顯示特征峰，可以分別將其分配給Ni 2p3/2和2p1/2信號。Ni 2p3/2峰的結(jié)合能為855.2 eV，介于金屬Ni（Ni 2p3/2 = 852.5 eV（252.5eV））和NiO（Ni 2p3/2 = 855.7 eV(255.7eV)）之間，與Ni-N2O2配位的Ni2+一致, 并與Ni
K-邊緣 XAS的發(fā)現(xiàn)相統(tǒng)一。
圖3.（a）在10 mV s-1的O2飽和的0.1 M KOH中碳，Ni-N4/C和Ni-N2O2/C的伏安圖。（b）在O2飽和的0.1M KOH中，在1600 rpm時的RRDE極化曲線，上部為圓環(huán)電流（虛線），下部為圓盤電流（實(shí)線）。（c）ORR中涉及的平均電子數(shù)（n）的計(jì)算值。（d）H2O2選擇性與所施加電勢的關(guān)系。
首先在室溫下在O2飽和的0.1 M KOH和Ar飽和的0.1 M KOH中，使用常規(guī)的三電極系統(tǒng)檢查催化劑（Ni-N2O2/C，Ni-N4/C和碳）的電化學(xué)性能。為了進(jìn)行測量，將每種催化劑作為薄層沉積在RRDE（工作電極）上。在Ar飽和的0.1M KOH中，未觀察到Ni-N2O2/C，Ni-N4/C和碳催化劑的氧化還原峰（圖S9-S11）。當(dāng)用O2吹掃電解液時，每種催化劑都會出現(xiàn)一個很強(qiáng)的ORR峰（圖3a）。圖3b顯示了RRDE上三種催化劑的極化曲線。在圓盤電極上測量的O2還原電流（以實(shí)線表示）和在鉑環(huán)電極上測量的H2O2氧化電流（以虛線表示）。Ni-N4/C催化劑提供最高的ORR電流（0.4 V時為0.64 mA，相對于可逆氫電極（RHE））和最正的起始電位（定義為實(shí)現(xiàn)0.01 mA cm-2的電流密度所需的電位），表明在測試的樣品中，Ni-N4/C催化劑具有最佳的ORR催化活性。但是，對于Ni-N4/C催化劑，對應(yīng)于磁盤工作電極上H2O2氧化的環(huán)電流要比碳催化劑低（0.09對0.13 mA在0.4 V相對于RHE）），這意味著引入了Ni-N4 SAC這些位點(diǎn)主要促進(jìn)了四電子ORR反應(yīng)途徑（O2 + 2H2O + 4e-→4OH-）。相反，Ni-N2O2/C催化劑提供了最高的環(huán)電流（0.4V相對于RHE時為0.20 mA），而ORR電流（0.4 V相對于RHE時為0.59 mA）僅略小于Ni-N4/C（0.4 V相對于RHE時為 0.64 mA）。因此，Ni-N2O2/C催化劑在對ORR的高催化活性與對H2O2的高選擇性之間提供了極好的折衷方案。Ni-N2O2/C催化劑在0.4 V相對于RHE的條件下計(jì)算出的平均電子轉(zhuǎn)移數(shù)（n）（圖3c）為2.09，表明以H2O2為主的二電子過程（O2 + H2O + 2e-→HO2-+ OH-）。相反，對于碳催化劑和Ni-N4/C催化劑，在0.4 V相對于RHE的條件下，平均n值分別為2.62和2.77（因此，這些催化劑對H2O2生產(chǎn)的選擇性較低）。在0.4至0.5 V之間的電勢下，Ni-N2O2/C對H2O2產(chǎn)物的選擇性最高可達(dá)到?96％（圖3d），而在較低電勢（0.1至0.4 V之間的H2O2產(chǎn)物的選擇性> 90％）下仍可實(shí)現(xiàn)非常高的選擇性。在寬電位范圍內(nèi)始終如一的高H2O2選擇性表明Ni-N2O2 / C催化劑具有出色的穩(wěn)定性，這是實(shí)際應(yīng)用所希望的。相比之下，相對于RHE，在0.4 V時，碳和Ni-N4/C催化劑對H2O2的選擇性分別僅為68％和62％。還測試了與Ni-N2O2/C相似但不含Ni離子合成的另一個對照樣品的選擇性，該選擇性與碳相似（圖S12）。比較不同催化劑的性能，可以得出結(jié)論，Ni-N2O2/C催化劑對H2O2的顯著選擇性可以歸因于具有獨(dú)特Ni-N2O2配位的Ni2+單原子位點(diǎn)，就像Jacobsen-Ni絡(luò)合物（即Ni-N和Ni-O鍵的存在都會提高對H2O2的選擇性）。電催化測試表明，Ni-N2O2/C是一種高效的非貴金屬催化劑，可將O2還原為H2O2，對H2O2的選擇性為非貴金屬基催化劑中最高的96％（表S3）。結(jié)果證實(shí)了我們的假設(shè)，即碳負(fù)載的Ni-N2O2位點(diǎn)的產(chǎn)生提供了對H2O2的高選擇性，類似于許多具有M-N2O2配位球的均質(zhì)席夫堿配合物的性能。我們的研究結(jié)果還證實(shí)，類似于Ni-N4/C催化劑中的卟啉樣M-N4幾何形狀傾向于促進(jìn)O2的四電子還原而不是電子合成H2O2。我們推測，在整個反應(yīng)過程中，O2在Ni-N2O2/C催化劑上的反應(yīng)是通過與均相席夫堿催化劑相似的機(jī)理發(fā)生的，形成超氧化物中間體，從而增強(qiáng)了電催化還原O2轉(zhuǎn)換為H2O2。
圖4.（a）三相液流池電解裝置。1，工作電極（涂有催化劑）；2，參比電極（Ag/AgCl參比電極）；3，對電極（鉑絲）；4，電解質(zhì)（0.1 M KOH）;5，分離器（陰離子交換膜）；6，空氣。（b）使用三相液流池電解裝置在陰極上進(jìn)行H2O2的電合成。（c）在三相液流池電解裝置中進(jìn)入空氣的條件下的H2O2濃度和V-t曲線。（d）H2O2的法拉第效率與電流密度的函數(shù)關(guān)系。（e）在三相液流池電解裝置的條件下的V-t曲線。（f）在三相液流池電解裝置中進(jìn)入空氣的條件下，Ni-N2O2/C產(chǎn)生的H2O2的濃度（左）和Ni-N2O2/C的H2O2法拉第效率（右）與電解時間的關(guān)系。
RRDE和H電池電解裝置測試表明，Ni-N2O2/C具有高效率，高H2O2選擇性和良好的穩(wěn)定性，使其成為用于實(shí)際H2O2合成的極好的多相催化劑（提供了有關(guān)H電池電解裝置測試結(jié)果的更多詳細(xì)信息在圖S13-14中進(jìn)行了描述）。但是，H電池中H2O2產(chǎn)生速率的增大受到質(zhì)量擴(kuò)散的限制。相反，三相液流池反應(yīng)器可以進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，以產(chǎn)生較大的H2O2產(chǎn)生電流，這對于潛在的實(shí)際應(yīng)用而言更好。在三相液流池中（圖4a，圖S15-16），氣體擴(kuò)散層（GDL）緊鄰催化劑層放置，以促進(jìn)O2擴(kuò)散到催化劑活性部位。我們假設(shè)三相液流池（其中的催化劑沉積在GDL上）具有顯著增加氣態(tài)O2的局部濃度并提高H2O2產(chǎn)生速率的潛力（圖4b）。為了進(jìn)行測試，將Ni-N2O2/C催化劑加載到GDL上。在連續(xù)的空氣三相流下收集穩(wěn)態(tài)極化曲線。結(jié)果最終證明，Ni-N2O2/C能夠在高電流密度下大規(guī)模生產(chǎn)H2O2。在70 mA cm-2的電流密度下，Ni-N2O2/C催化劑對H2O2的法拉第效率保持91％（圖4c，圖S17）。該電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于有機(jī)介質(zhì)中均質(zhì)分子系統(tǒng)的電流密度（<10 mA cm-2，圖4d，表S4），其性能受到O2溶解性差的限制。在常用溶劑系統(tǒng)中溶解（通常需要有機(jī)溶劑來溶解均相催化劑）。在將O2還原為H2O2的過程中實(shí)現(xiàn)高電流密度是我們追求Ni-N2O2/C催化劑體系的主要動機(jī)之一。測得的H2O2產(chǎn)生速率為5.9 mol gcatalyst-1h-1，遠(yuǎn)高于先前報道的通過電催化產(chǎn)生H2O2的速率（表S5）。從極化曲線（圖S18），在空氣或O2中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)之間幾乎看不到差異，表明空氣中存在的O2足以維持反應(yīng)。此外，還評估了電解裝置中電流密度為70 mAcm-2時Ni-N2O2/C催化劑的穩(wěn)定性（圖4e）。在8小時的測試期間，H2O2濃度呈線性增加，在整個測試過程中，法拉第效率保持> 90％（圖4f）。數(shù)據(jù)再次表明，Ni-N2O2/C催化劑在堿性溶液中和高電流密度下具有出色的穩(wěn)定性，可將O2還原為H2O2。
結(jié)論
這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，Ni SAC的配位大大影響ORR催化性能。先前有關(guān)金屬SAC的大多數(shù)研究都集中在類似卟啉的M-N4配位環(huán)境中，在NiN4/C的情況下，這有利于堿性溶液中O2的四電子還原（因此對H2O2的選擇性低）。迄今為止，具有不同金屬配位環(huán)境的金屬SAC（例如Ni-N2O2/C催化劑中存在的Ni-N2O2 SAC位點(diǎn)）很少受到關(guān)注。我們的結(jié)果表明，Ni-N2O2 SAC位點(diǎn)在0.1 MKOH中為O2還原為H2O2提供了顯著的選擇性，而Ni-N和Ni-O鍵的存在或兩者都促進(jìn)了O2的兩個電子還原。重要的是，可以通過非常簡單的“配體調(diào)節(jié)”熱解策略獲得Ni-N2O2/C催化劑，這使得該方法很容易用于大規(guī)模催化劑生產(chǎn)（該方法基于我們小組的最新報告，其中開發(fā)了一種通用配體調(diào)節(jié)的策略，用于大規(guī)模合成碳負(fù)載的第一，第二和第三排過渡金屬SAC）。具有Ni-N2O2活性位點(diǎn)的Ni-N2O2/C催化劑為H2O2的合成提供了以下優(yōu)點(diǎn)：i）比較使用Ni-N4/C催化劑，Ni-N2O2/C為將O2還原為H2O2提供了非常高的選擇性（相對于RHE，在0.4-0.5 V時約為96％）。該選擇性優(yōu)于幾乎所有尚未報道的非貴金屬催化劑。ii）使用包含Ni-N2O2/C的三相液流池，使用O2或空氣作為進(jìn)料氣，可以以高電流密度生成H2O2，H2O2的生成速率為5.9 mol gcatalyst-1h-1在這項(xiàng)工作中得以實(shí)現(xiàn)。iii）Ni-N2O2/C催化劑在堿性條件下和高電流密度下是穩(wěn)定的。iv）催化劑的合成方法簡單，可擴(kuò)展，為大規(guī)模生產(chǎn)催化劑和H2O2開辟了途徑。由于這些優(yōu)點(diǎn)，Ni-N2O2/C提供了巨大的潛在解決方案，可通過利用電能將空氣和水轉(zhuǎn)化為H2O2，從而避免為反應(yīng)提供高純度的O2。這項(xiàng)工作為傳統(tǒng)的生產(chǎn)H2O2的均相催化與快速發(fā)展的ORR金屬SAC領(lǐng)域之間的橋梁提供了重要的橋梁。我們展示了均相席夫堿催化劑設(shè)計(jì)原理如何應(yīng)用于碳載金屬單原子催化劑，從而為金屬SAC設(shè)計(jì)提供了新的范例。通過控制SAC中金屬原子的配位環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物選擇性的大幅度提高，正如此處所證明的那樣，在ORR期間，Ni-N2O2/C催化劑對H2O2的選擇性非常高。我們希望這項(xiàng)工作將激勵其他人開發(fā)改進(jìn)的SAC，用于ORR，氧釋放反應(yīng)，氫釋放反應(yīng)和二氧化碳還原反應(yīng)以及其他重要應(yīng)用。
編者按：最近SAC用于2電子路徑ORR的論文越來越多，在上一篇Mo單原子催化劑的推送文章中，我們認(rèn)為SAC的2電子路徑底層催化機(jī)理仍然不明確。這里我們要提出另一個局限性，ORR的4電子路徑可以廣泛地與新型電池應(yīng)用開發(fā)相結(jié)合，然而SAC的ORR2電子路徑研究目前仍然沒有與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。在當(dāng)前“去四唯”的政策引領(lǐng)下，未來應(yīng)當(dāng)更多地考慮這方面應(yīng)用研究。
