電化學(xué)合成 H2O2 作為一種綠色的合成方法，因其反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好、成本效益高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。而對(duì)于氧還原兩電子路徑合成 H2O2 而言，具有高活性和高選擇性的電催化劑是高效產(chǎn)生 H2O2 的先決條件。氧還原反應(yīng)（ORR）合成 H2O2 需要保留 O2 中的 O-O 鍵，使得催化劑具有可調(diào)的電子結(jié)構(gòu)。如果反應(yīng)位點(diǎn)與 O 基團(tuán)之間的相互作用太強(qiáng)，容易使 O2 分子解離形成 H2O，而如果相互作用太弱，則需要高的過(guò)電勢(shì)才能克服反應(yīng)勢(shì)壘。目前，用于該兩電子途徑的催化劑主要是單原子貴金屬催化劑或惰性元素的貴金屬合金。然而，貴金屬的稀缺性在一定程度上會(huì)阻礙其大規(guī)模應(yīng)用。銅基有機(jī)配合物被認(rèn)為是通過(guò) 4e- 或 2e- 途徑進(jìn)行 ORR 的天然氧化酶，因此銅基材料如可調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)的氧化銅復(fù)合材料因其無(wú)毒、低成本和儲(chǔ)量大等特點(diǎn)有望成為 ORR 的替代材料。
▲ | 圖 1. 電催化合成 CuOx/G 的制備流程圖以及等效電路圖 |
近日，山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院趙曼副教授和賈建峰教授等在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)老牌期刊 Chemical Communications 上發(fā)表了題為“Electrosynthesized CuOx/graphene by a four-electrode electrolysis system for the oxygen reduction reaction to hydrogen peroxide” 的研究論文。該工作報(bào)道了一種采用非常簡(jiǎn)單的電解-溶劑熱合成法（圖 1）來(lái)構(gòu)筑 CuOx/石墨烯復(fù)合材料，作為堿性條件下選擇性 2e- 還原氧合成過(guò)氧化氫的高效電催化劑。該文章主要涵蓋以下兩個(gè)方面：
采用四電極體系電解法合成復(fù)合材料，以石墨作為陰極、銅絲作為陽(yáng)極來(lái)制備 CuOx/石墨烯復(fù)合材料。通過(guò)調(diào)變電解電壓對(duì)催化劑的物化性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。 揭示該復(fù)合材料上氧還原合成 H2O2 構(gòu)效關(guān)系：圓盤(pán)電極和環(huán)盤(pán)電極測(cè)試結(jié)果表明所制備 CuOx/G-30 的催化劑為氧還原兩電子的反應(yīng)路徑。XRD、XPS 等表征結(jié)果表明通過(guò)調(diào)變電解電壓可以調(diào)變銅的價(jià)態(tài)和 CuOx/石墨烯比例，進(jìn)而影響其上電催化氧還原合成 H2O2 的性能。
▲ | 圖 2. 不同電解電壓下制備的 CuOx/G 的表征圖 |
▲ | 圖 3. 不同電解電壓下制備的 CuOx/G 的性能圖 |
本項(xiàng)工作揭示了 CuOx 與石墨烯之間的協(xié)同效應(yīng)有助于氧還原反應(yīng)通過(guò)兩電子路徑高效轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫。石墨烯作為載體，一方面可以高度分散 CuOx 納米顆粒，另一方面提高電子在 CuOx/G 樣品上的傳輸效率。我們的工作不僅為構(gòu)筑石墨烯基復(fù)合材料提供了一種簡(jiǎn)便而新穎的電合成方法，而且拓展了銅基材料在氧還原反應(yīng)制備過(guò)氧化氫中的應(yīng)用。
論文信息
Electrosynthesized CuOx/graphene by a four-electrode electrolysis system for the oxygen reduction reaction to hydrogen peroxide
He Xiao,（肖何，山西師范大學(xué)） Bo Li, （李博，山西師范大學(xué)）Man Zhao*, （趙曼，山西師范大學(xué)）Ya Li, Tianjun Hu, Jianfeng Jia* （賈建峰，山西師范大學(xué)）and Haishun Wu
Chem. Commun., 2021
http://doi.org/10.1039/D1CC00386K
山西師范大學(xué)作者簡(jiǎn)介
工學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，目前主要從事石墨烯、黑磷、二硫化鉬、氮化硼等二維材料及其量子點(diǎn)在電催化、光催化等方面的應(yīng)用研究。已在 Chemical Engineering Journal、Applied Catalysis B: Environmental、Nanoscale、 Chemical Communications、Electrochimica Acta、Electrochemistry Communications、Catalysis Science and Technology 等期刊發(fā)表論文近 20 篇。
山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 2018 級(jí)碩士研究生，目前的研究方向：二維材料 MXene 和 Graphene 的制備和電催化性能研究。
山西師范大學(xué)
理學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。碩博連讀期間，曾獲得中歐聯(lián)合培養(yǎng)獎(jiǎng)學(xué)金：2012 年 10 月至 2014 年 10 期間在德國(guó)弗勞恩霍夫研究所從事研究工作 2 年。目前主要致力于石墨烯及其復(fù)合材料的制備及其在光催化、電催化應(yīng)用方面的研究。已在 Chem. Eng. J., Carbon, Chem. Commun., Nanoscale, J. Power Sources 等國(guó)際期刊發(fā)表論文多篇。
山西師范大學(xué)
現(xiàn)任山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)，山西省高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)帶頭人（2010）、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才（2012）、山西省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人（2017）。1996 年進(jìn)入山西師范大學(xué)化學(xué)系學(xué)習(xí)，2000 年畢業(yè)后留校任教。并于 2004 和 2010 年在山西師范大學(xué)分別獲得理學(xué)碩士與博士學(xué)位；于 2007 年及 2012 年在德國(guó) Rostock 大學(xué)及澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)訪問(wèn)學(xué)習(xí)，2013 年晉升為教授。主要研究方向包括貴金屬光催化反應(yīng)、氧化物復(fù)合材料的電催化氧化和還原反應(yīng)、表面催化反應(yīng)機(jī)理的理論計(jì)算等。主持和完成了 1 項(xiàng)國(guó)家青年科學(xué)基金、1 項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金，3 項(xiàng)教育部基金、2 項(xiàng)山西省自然科學(xué)基金。在包括 J. Am. Chem. Soc.、Org. Lett.J. Phys. Chem. C 等雜志上發(fā)表論文 60 多篇。2006 獲山西省自然科學(xué)一等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)(第二完成人），2012 年獲山西省自然科學(xué)三等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)（第一完成人）。
