氮摻雜碳材料中分離的單金屬原子（M-N-C）是通過2-電子或4-電子過程產(chǎn)生H2O2或H2O的氧還原反應(yīng)（ORR）的有效電催化劑，但是大多數(shù)M-N-C催化劑僅對一種產(chǎn)物表現(xiàn)出高選擇性，并且選擇性通常由復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計來調(diào)節(jié)。
基于此，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張耕教授和曹菲菲教授等人報道了一種由炭黑負載的Co-N-C催化劑（CB@Co-N-C）。在具有氣體擴散電極的流動池中，H2O2的產(chǎn)生速率為5.04 mol h?1 g?1，同時在電解質(zhì)循環(huán)和非循環(huán)模式下，該催化劑表現(xiàn)出200 h的長期H2O2產(chǎn)生。通過DFT計算多孔納米材料的HOMO和LUMO軌道，作者研究了金屬離子的引入對電荷分布的影響。對于HOFs，HOMO主要位于芘核的中心，LUMO均勻分布在H4TBAPy上。HOFs@Fe3+在引入Fe3+后，LUMO主要分布在Fe3+上，有效地抑制了光生載流子的絡(luò)合。對于HOFs@Cu2+，觀察到HOMO和LUMO之間的部分重疊，可能導(dǎo)致部分光生載流子的絡(luò)合。結(jié)果表明，通過錨定Fe3+有效地解決了HOFs光生載流子遷移能力差的問題，從而提高了納米材料的整體光催化活性。基于分子軌道理論，作者提出了一種可能的HOFs@Fe3+吸附和光降解機制。當(dāng)HOFs@Fe3+被放入含有BPA的水中時，BPA通過氫鍵和π-π堆積相互作用快速選擇性地吸附在催化劑表面。然后，HOFs@Fe3+在可見光照射下產(chǎn)生光生電子和空穴，并且電子從HOMO跳到LUMO。由于Fe3+的可變價態(tài)，電子進一步快速轉(zhuǎn)移到金屬離子上，而h+保留在HOFs的HOMO能級中。此外，積聚在催化劑表面的金屬離子上的電子也可以被吸附的H+捕獲以產(chǎn)生H2。?O2–可與h+反應(yīng)形成1O2，在?O2–和1O2的共同作用下，吸附在催化劑上的富集BPA被有效降解。Carbon Black-Supported Single-Atom Co-N-C as an Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst for H2O2 Production in Acidic Media and Microbial Fuel Cell in Neutral Media. Adv. Funct. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adfm.202300895.https://doi.org/10.1002/adfm.202300895.
