電化學氧氣還原反應（ORR）是多種能源器件和化工生產(chǎn)的關鍵技術之一，其推廣和應用受制于高效、高選擇性、低成本和高穩(wěn)定性催化劑的開發(fā)。在眾多材料中，碳基材料被認為是適用于ORR的理想的電極材料之一，可被調控并分別適用于兩電子和四電子ORR。
已有研究表明，碳基材料的ORR活性和選擇性受化學摻雜、表面氧化、邊緣精細結構、碳芳香烴結構變異等因素影響，其在催化調控上仍存在著諸多尚未明確和爭議性的科學問題，阻礙著電極材料的精準設計和制備。
近日，福建師范大學的林良旭教授和澳大利亞伍倫貢大學的陳俊教授、西北工業(yè)大學的黃維教授合作，以碳布材料為研究對象，通過設計一種由氫原子鈍化的扭曲晶格條紋結構，實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定和高選擇性兩電子ORR反應，通過系統(tǒng)研究闡述了材料扭曲條紋和氫鈍化結構在碳材料的電催化活化上和選擇性調控中的關鍵作用，為碳材料的ORR催化機理機制提供了新的理解，并為進一步闡述碳材料的ORR催化活化機制提供新的強有力的依據(jù)。
該研究通過鉀插層技術使碳材料條紋扭曲并被氫原子鈍化，通過同步輻射X射線吸收和紅外光譜驗證了氫鈍化結構，利用電子順磁共振和二氧化碳吸脫附實驗證實上述結構所產(chǎn)生的未飽和電子態(tài)并與表面化學吸附性相關聯(lián)。 理論計算和諸多實驗數(shù)據(jù)表明，當碳材料僅具有扭曲條紋結構時并不能實現(xiàn)對氧氣的有效化學吸附和活化；當該扭曲條紋結構被適量的氫原子鈍化時，氫鈍化位能夠與氧氣結合自發(fā)進行氧還原反應；更為重要的是，氫鈍化位周邊的碳原子可在低過電壓下有效活化氧氣分子并進行高效和可逆的ORR，并最終實現(xiàn)了高效、高選擇性和穩(wěn)定的兩電子ORR反應。 該研究所闡述的催化活化機制是對碳材料ORR催化的有力補充，也解釋了為什么碳材料在ORR中所表現(xiàn)出的諸多難以理解的實驗現(xiàn)象，為更為精準的催化電極設計提供參考和依據(jù)。 論文信息 Lattice Distortion and H-passivation in Pure Carbon Electrocatalysts for Efficient and Stable Two-electron Oxygen Reduction to H2O2 Liangxu Lin, Liang Huang, Chang Wu, Yu Gao, Naihua Miao, Chao Wu, Aaron T. Marshall, Yi Zhao, Jiazhao Wang, Jun Chen, Shixue Dou, Gordon G. Wallace, Wei Huang 文章的第一及共同第一作者是福建師范大學的林良旭教授、武漢科技大學的黃亮教授和新西蘭坎特伯雷大學的吳昶研究員，通訊作者是福建師范大學的林良旭教授、澳大利亞伍倫貢大學的陳俊教授和西北工業(yè)大學的黃維教授。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202315182
