新型炭材料綜述|天津大學梁驥教授：碳基非金屬納米材料用于二電子氧還原制備過氧化氫的研究進展

主要內容

電催化二電子氧還原反應（2e-ORR）制備過氧化氫（H₂O₂）憑借其高效、安全和綠色特點，逐步發展為一種可能替代工業蒽醌法的新途徑。碳基納米材料具有電子導電性高、結構穩定性好、納米結構調控容易、成本低等優勢，是一類具有良好前景的 2e-ORR 制備 H₂O₂?的催化劑。

天津大學梁驥教授課題組受邀在《新型炭材料》（New Carbon Materials）上發表了最新綜述“Research progress on carbon-based non-metallic nanomaterials as catalysts for the two-electron oxygen reduction for hydrogen peroxide production”，總結了近年來碳基非金屬納米材料用于二電子氧還原制備過氧化氫的研究進展。該文首先介紹了氧還原反應的四電子、二電子反應路徑及相關機制。其次，綜述了提高碳基納米材料二電子氧還原活性和H₂O₂生成選擇性的結構優化策略及其活性中心的設計思路，包括非金屬單原子摻雜、雙原子摻雜、結構缺陷和表面修飾等。最后，該文展望了電催化制備H₂O₂及相關催化材料的發展前景和面臨的挑戰,期望對H₂O₂的科學研究和實際應用提供一定的指導意義。

該綜述指出通過結構優化改變碳基材料的電子結構，包括雜原子摻雜、雙雜原子摻雜、缺陷設計和表面改性等，調整*OOH中間體在催化劑表面的吸附特性，可以實現高活性和高選擇性的H₂O₂電催化合成。從H₂O₂選擇性和ORR活性來說，O-摻雜效果最好，其選擇性一般>90%，起始電位也在0.80 V vs.?RHE左右，均高于其它雜原子摻雜碳基材料的2e-ORR性能。同時，對碳基材料進行陽離子表面改性也有助于大幅提高碳基材料的2e-ORR性能。為此，以商業化的碳基材料，如炭紙、炭布為基體，通過簡單的氧化處理或者表面改性，即可獲得高活性和高H₂O₂產率的電催化劑材料，非常有希望實現工業化應用。

圖 1 非金屬摻雜碳催化劑用于二電子氧還原制備H₂O₂的常見策略

文章信息

桑志遠, 侯峰, 王思惠, 梁驥. 碳基非金屬納米材料用于二電子氧還原制備過氧化氫的研究進展[J]. 新型炭材料, 2022, 37(1): 136-151.

SANG Zhi-yuan, HOU Feng, WANG Si-hui, LIANG Ji. Research progress on carbon-based non-metallic nanomaterials as catalysts for the two-electron oxygen reduction for hydrogen peroxide production[J]. NEW CARBON MATERIALS, 2022, 37(1): 136-151.

閱讀原文

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(22)60583-3

通訊作者簡介

梁 驥 教授，于2014年獲澳大利亞阿德萊德大學博士學位，先后獲中國科學院金屬研究所葛庭燧獎研金項目、澳大利亞研究理事會（ARC）青年學者獎（DECRA）等項目的支持。2019年加入天津大學材料科學與工程學院，從事納米儲能材料與器件的基礎及應用研究，所開發的材料用于新型非貴金屬催化氧還原、氮還原、光催化及儲能等領域。梁驥教授針對電催化及電池應用的具體要求，對材料的結構和表面化學進行設計和調控，得到了一系列的高性能電催化/電池材料，同時結合理論模擬，揭示了這類非（貴）金屬材料在上述電化學體系中的反應機制。近年來，其研究成果以學術論文的形式在Energy Environ. Sci.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Storage Mater.等期刊發表文章110余篇，其中多篇以封面、內封面、封底的形式發表，參與編寫英文書籍多部，其學術成果累計引用9500余次。

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期刊信息

《新型炭材料（中英文）》?????

SCI-E、EI收錄期刊與中文核心期刊

影響因子：3.7（2021年度）

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