廈門大學(xué)王宇成副教授與葉進(jìn)裕博士基于一系列具有不同孔結(jié)構(gòu)但具有相似表面狀態(tài)或性質(zhì)的N/C催化劑，分別在旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極（RRDE）和流動(dòng)池（FC）中研究了孔結(jié)構(gòu)對(duì)氧還原反應(yīng)（ORR）活性和選擇性的影響，并對(duì)這兩種測試條件下孔結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了對(duì)比和分析。
過氧化氫(H2O2)作為一種綠色氧化劑，廣泛應(yīng)用于紙漿和紡織品漂白、廢水處理、化學(xué)合成、消毒等一系列工業(yè)過程中。二電子ORR電化學(xué)合成H2O2具有高效、綠色、安全、現(xiàn)場制備的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是取代傳統(tǒng)的能源密集型蒽醌工藝的一種極具前景的方法。雜原子摻雜的碳材料，例如氮摻雜的碳（N/C），最近被認(rèn)為是最有前景的二電子ORR電催化劑。這些催化劑的ORR活性和選擇性可以通過控制活性位點(diǎn)來調(diào)整。同樣重要的是調(diào)整孔結(jié)構(gòu)以承載活性位點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，需要闡明孔結(jié)構(gòu)對(duì)ORR活性和H2O2選擇性的影響。然而，針對(duì)這個(gè)問題，目前已有的研究還沒有明確的結(jié)論，且研究主要限于RRDE而不是實(shí)際的FC系統(tǒng)。此外，RRDE和FC測試條件之間存在顯著差異，例如：例如，反應(yīng)界面（兩相界面vs.三相界面），氣體狀態(tài)（溶解氧vs.氣態(tài)氧），工作電流（毫安vs.安培），運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（高速旋轉(zhuǎn)vs.靜止）等?；赗RDE測試得出的結(jié)果和規(guī)律在FC層面可能并不適用。這可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)建立出不準(zhǔn)確甚至完全錯(cuò)誤的“構(gòu)效關(guān)系”，影響催化劑的后續(xù)應(yīng)用設(shè)計(jì)。 廈門大學(xué)王宇成副教授與葉進(jìn)裕博士制備了一系列具有不同孔結(jié)構(gòu)但具有相似表面狀態(tài)或性質(zhì)的N/C催化劑。借助于這些可靠的孔結(jié)構(gòu)模型，在RRDE和FC中研究了兩個(gè)關(guān)鍵的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，即Brunauer-Emmett-Teller比表面積(SBET)和微孔表面分?jǐn)?shù)(fmicro)對(duì)ORR活性和選擇性的影響。研究表明，孔結(jié)構(gòu)對(duì)氧還原活性的影響，在RRDE和FC中表現(xiàn)一致，均與比表面積呈現(xiàn)正相關(guān)。而孔結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)選擇性的影響，在RRDE和FC層面并不一致：在RRDE層面，二電子過程的選擇性與微孔含量無關(guān)；而在FC層面，二電子過程選擇性與微孔含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。不一致的原因在于溶液相和工況測試中的電極運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，導(dǎo)致二電子產(chǎn)物在微孔中的停留時(shí)間不同。相較于RRDE，F(xiàn)C測試條件更接近實(shí)際生產(chǎn)，因此未來FC測試條件下的催化劑評(píng)估將更具說服力。該工作揭示了孔結(jié)構(gòu)對(duì)二電子ORR活性和選擇性的影響，有助于二電子ORR電化學(xué)合成H2O2碳基催化劑的設(shè)計(jì)。 論文信息： Impact of Pore Structure on Two-Electron Oxygen Reduction Reaction in Nitrogen-Doped Carbon Materials: Rotating Ring-Disk Electrode vs. Flow Cell Hui Xu, Dr. Xue-Hui Lv, Hao-Yu Wang, Dr. Jin-Yu Ye, Prof. Jiayin Yuan, Prof. Yu-Cheng Wang, Prof. Zhi-You Zhou, Prof. Shi-Gang Sun ChemSusChem DOI: 10.1002/cssc.202102587
