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Angew. Chem. :破譯氧官能團作用機制助力高穩定工業級H2O2酸性電合成2024-09-17
基于質子交換膜(PEM)反應器的過氧化氫(H2O2) 電合成是一種很有前景的工業生產H2O2的方法,因其具有環保和現場生產的特性。分子催化劑因其原子結構明確、原子局部環境可調而被認為是精確研究電催化2e?ORR的新解決方案;特別是,碳載體上的氧官能團(OFGs)已被證明對分子中心的原子局部微環境有很大的影響,從而調節電子結構并改變2e?ORR性能(稱為“OFG策略”)。

然而,目前的OFG策略側重于OFGs的“初始”調控對活性位點電子結構“最終”變化的影響,尚未對特定OFG與活性中心相互作用的“過程”進行研究。這種模糊的認識阻礙了活性中心的理性設計,使*OOH吸附能的優化停留在試錯的層面,阻礙了高性能分子催化劑的開發。

為此,中國科學院上海高等研究院楊輝、程慶慶團隊提出了一種特定OFG調節策略,并闡明不同的OFGs通過長程(羧基和環氧基)或短程(羥基)作用對Co中心的電子結構產生不同的調節作用,從而對2e?ORR選擇性產生相反的影響。有鑒于此,與優化催化劑集成的PEM電解槽在400 mA cm-2的電流密度和低至~2.1 V的槽壓下連續穩定地產生~7%的H2O2水溶液超過200 h,展示了在卓越穩定性方面的突破。

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作者仔細分析了還原氧化石墨烯(RGO)載體的熱重分析結果,并巧妙地選擇了某些特定的溫度區間;在每個選定的溫度區間內,OFGs關聯熱處理溫度的變化完全歸因于RGO載體上單一類型的OFG的減少。因此,作者在RGO負載的鈷卟啉分子催化劑(CoTPP@RGO)上精確控制單個OFG在RGO上的變化。

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X射線吸附光譜、原位拉曼光譜和開爾文探針力顯微鏡研究表明,羧基和環氧基通過長程模式間接與Co中心相互作用,羥基通過短程模式與Co中心直接配位,從而導致Co中心的電荷分布不同。密度泛函理論驗證了對特定OFG的調控可以理性設計關鍵中間體(*OOH)吸附能,揭示了遠程相互作用方式有利于CoN4活性位點,從而優化了2e?ORR選擇性。

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優化后的催化劑在電流密度為200 mA cm-2的流動池中達到了~21 mol h-1?gcat-1的穩定H2O2產率,甚至在500 mA cm-2時達到了前所未有的~50 mol h-1?gcat-1的產率。更令人鼓舞的是,以該催化劑為陰極(陽極為純水)的PEM電解槽可以在~2.1 V的低電池電壓和400 mA cm-2的電流密度下連續穩定的產生濃度高達~7 wt%的純H2O2水溶液超過200小時,展示了負載分子催化劑在酸性環境下電合成H2O2的巨大潛力。

該工作為催化劑活性中心電子結構的理性設計提供了一種新策略。

文信息

Oxygen Functional Groups Regulate Cobalt-Porphyrin Molecular Electrocatalyst for Acidic H2O2?Electrosynthesis at Industrial-Level Current

Yihe Chen,?Cheng Zhen,?Yubin Chen,?Hao Zhao,?Yuda Wang,?Zhouying Yue,?Qiansen Wang,?Jun Li,?M. Danny Gu,?Qingqing Cheng,?Hui Yang

文章的第一作者是中國科學院上海高等研究院與上海科技大學聯合培養博士研究生陳怡和。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202407163

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