電化學(xué)2-電子氧還原反應(yīng)（ORR）是可再生和原位生產(chǎn)過(guò)氧化氫（H2O2）的一種有前景的途徑。其中，富氧碳納米管（CNTs）已被證明具有高選擇性（≈80%），但是定制碳納米管的組成和結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步提高選擇性和拓寬工作電壓范圍仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
基于此，北京化工大學(xué)孫曉明教授和田書(shū)博副教授、新西蘭奧克蘭大學(xué)王子運(yùn)（共同通訊作者）等人報(bào)道了他們結(jié)合甲酰胺縮合涂層和溫和的溫度煅燒，合成了一種氮和氧共改性碳納米管（N, O-CNTs）電催化劑。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，N, O-CNTs電催化劑在寬電壓范圍（從0到0.65 V vs. RHE）顯示出優(yōu)異的H2O2選擇性（>95%），明顯優(yōu)于CNTs（在0-0.65 V vs. RHE中約為50%）和O-CNTs（在0.3-0.65 V vs. RHE中約為80%）的相應(yīng)選擇性值。
密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，O摻雜可以有效提高2電子ORR活性，而N相關(guān)物種進(jìn)一步減少了由于氧積累引起的失活，從而提供了穩(wěn)定和高催化位點(diǎn)。O-和N-物種共同優(yōu)化了CNTs的*OOH吸附并導(dǎo)致高選擇性。
通過(guò)使用優(yōu)化的N, O-CNTs電催化劑，調(diào)整不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕性來(lái)設(shè)計(jì)Janus電極，能持續(xù)24 h以264.8 mol kgcat-1 h-1的速率生產(chǎn)H2O2，證實(shí)了其穩(wěn)定性。此外，利用N, O-CNTs組裝的Janus電極的H電池作為工作電極，不需要額外的補(bǔ)充氧氣?？傊?，雜原子輔助催化策略為優(yōu)化用于電化學(xué)催化的碳基催化劑開(kāi)辟一條新途徑。
Synergistic Effects in N, O-Comodified Carbon Nanotubes Boost Highly Selective Electrochemical Oxygen Reduction to H2O2. Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202201421.
https://doi.org/10.1002/advs.202201421.
