孫旭平教授：Angewandte Chemie International Edition 蜂窩狀碳納米纖維:一種超親水的O2包載電催化劑，能夠為雙電子氧還原反應提供超高的質量活性

First published：February 25，2021

第一作者（中文名）：董凱，梁杰

通訊作者（中文名）：孫旭平*，馬東偉*，李權*

單位：電子科技大學

【研究背景】

H₂O₂作為一種重要的基礎化學品，在現代化工、能源和環境等領域有著廣泛的應用。目前工業上采用高能耗的蒽醌循環法制備H₂O₂。但是，蒽醌循環法需要大規模的基礎設施，并且導致很高的能耗同時產生很多有機廢料和副產物。電化學二電子(2e^?)氧還原（ORR）被認為是一種很有吸引力的現場直接生產H₂O₂的綠色方法。但是通常情況下，強烈競爭的四電子氧還原反應導致2e^??ORR的選擇性非常低，因此設計和開發高選擇性的電催化劑是2e^??ORR生產H₂O₂所面臨的關鍵挑戰。

【文章簡介】

近日，電子科技大學孫旭平教授Angewandte Chemie International Edition?(影響因子：12.959)上發表題為“Honeycomb Carbon Nanofibers: A Superhydrophilic O₂‐Entrapping Electrocatalyst Enables Ultrahigh Mass Activity for the Two‐Electron Oxygen Reduction Reaction”的研究工作。該工作報道了使用超親水的O₂捕集電催化劑來實現極好的雙電子氧還原電催化劑。蜂窩碳納米纖維能夠實現97.3%的高H₂O₂選擇性，遠高于其固體碳納米纖維。令人印象深刻的是，這種催化劑實現了高達220 A·g^-1的超高質量活性，超過了所有其他雙電子氧還原反應催化劑。具有富含邊緣缺陷和氧化官能團的超親水多孔碳骨架有助于有效的電子轉移和電解質對催化劑的更好潤濕，并且相互連接的空腔允許更有效地捕獲氣泡。原位拉曼分析和密度泛函理論計算進一步揭示了催化機理。

【本文要點】

要點一：蜂窩狀的富含邊緣碳缺陷和氧官能團的一維碳納米纖維被證實是2e^-氧還原電催化的高活性三合一催化劑。它們的超親水納米腔有助于將O₂和水性電解質截留在缺陷活性位點周圍，提供豐富的三相界面。

要點二：在0.1 M氫氧化鉀中，與RHE相比，這種HCNFs顯示出97.3%的高H₂O₂選擇性和0.65 V時220 A·g^-1的超高質量活性。原位拉曼數據證實了非晶碳缺陷的重要作用，理論計算揭示了邊緣附近的拓撲缺陷是主要的活性位點。

要點三：這項工作不僅為我們提供了一種有吸引力的富含地球的2e^-?ORR催化材料，而且為設計三相界面開辟了一條激動人心的新途徑，其特點是超親水性和O₂截留，并提高了應用的2e^-?ORR活性。

以下為專訪部分

?導師專訪

導師解析：（該領域目前存在的問題？這篇文章的重點、亮點。)

電化學二電子(2e?)氧還原（ORR）被認為是一種很有吸引力的現場直接生產H2O2的綠色方法。但是通常情況下，強烈競爭的四電子氧還原反應導致2e??ORR的選擇性非常低，因此設計和開發高選擇性的電催化劑是2e??ORR生產H2O2所面臨的關鍵挑戰。碳材料已經被證實是有效的2e-?ORR催化劑，因為，我們通過靜電紡絲的方法制備了一維的蜂窩狀碳納米纖維。其內部相互連接的納米腔不僅能夠暴露更多的活性位，促進反應物的質量轉移/擴散，而且可確保有效地困住氧氣，從而進一步促進催化劑與氧氣分子的結合/相互作用。同時，三相界面可實現氣體與催化劑之間更加充分的接觸，以及更高的H₂O₂選擇性和產率。基于密度泛函理論的第一性原理計算結合計算氫電極模型也表明邊緣和拓撲缺陷的協同作用能夠產生大量的活性位點催化2e? ORR，這些活性位點靠近火山圖的頂點（對應于熱力學平衡勢（0.70 V））。

導師點評：(您對該領域的今后研究的指導意見和展望)

碳材料作為二電子途徑氧氣還原生產雙氧水的理想電催化劑之一，研究人員已經投入大量精力調控其組成，結構，形貌以追求更好的催化效果，但仍缺乏有效的合成策略和提升手段。該研究工作不僅提供了一種極具吸引力的非貴金屬2e-?ORR電催化材料，而且為設計具有超親水性和O₂捕獲性并提高2e-?ORR活性的三相界面開辟了一條新途徑。

?【文章鏈接】

Honeycomb Carbon Nanofibers: A Superhydrophilic O₂‐Entrapping Electrocatalyst Enables Ultrahigh Mass Activity for the Two‐Electron Oxygen Reduction Reaction

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202101880

【通訊作者介紹】

孫旭平，博士，教授，博士生導師，電子科技大學基礎與前沿研究院。1997年本科畢業于四川師范學院化學系并留校任教，2005年于中科院長春應化所獲博士學位，師從汪爾康院士。2006-2009年期間先后在德國、加拿大及美國從事博士后研究工作，2010年1月加入長春應化所，2015年11月全職到四川大學工作，2018年4月加入電子科技大學。獲中科院院長優秀獎（2004）、中科院優秀博士學位論文（2007）、全國百篇優秀博士學位論文（2008）、中科院優秀導師獎（2015）；入選英國皇家化學會高被引作者（2017 & 2018）、化學領域中國高被引學者（2018）及化學和材料領域全球高被引科學家（2018 & 2019）。多年從事功能材料表界面設計與調控及催化和傳感應用研究。首次以生物質為原料合成雜原子摻雜熒光碳點，發展了基于摻雜碳點的熒光重金屬離子檢測新方法；提出保形磷化策略可控制備無表面活性劑過渡金屬磷化物納米結構及三維納米陣列，實現高效電解水制氫；發展了基于過渡金屬磷化物的均相熒光核酸檢測新技術及有機小分子電化學傳感新器件和新方法；建立了電化學合成氨催化新體系。在 Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett.等刊物發表研究論文530余篇，單篇引用大于200次論文45篇,單篇最高引用1592次,?論文總引約43000次, H 指數109。

https://faculty.uestc.edu.cn/sunxuping/zh_CN/index.htm

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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