背景簡介

近年來，在Covid-19大流行的刺激下，隨著整個醫療保健行業和消費者對消毒和清潔的抗菌需求不斷增加，人們對稀釋過氧化氫(H2O2)生產的研究越來越感興趣。這種全世界的關注推動了通過雙電子(2e-)氧還原反應(ORR)直接現場生成H2O2的研究。然而，這種電催化反應由于反應緩慢和通過熱力學更有利的4e-途徑的競爭反應而導致性能不令人滿意。

許多研究都集中在開發具有可調結構的2e- ORR 電催化劑，例如貴金屬和合金、過渡金屬基催化劑和碳基電催化劑 (carbon-based electrocatalysts or CBE)。其中，CBE應該是最具有可持續行和技術經濟性趨勢的突出催化劑選項。盡管研究者通過缺陷工程對改善 CBE 的 2e- 性能做出了許多努力，但精確控制固有晶格缺陷仍然存在實際挑戰，這是進一步提高活性和選擇性的主要障礙。

解決的問題

本工作報告了一種通過原子尺度結構工程解決上述問題的方法，該方法使用氧化多孔石墨烯 (O-HGr) 來實現高選擇性 2e- ORR。設計的石墨烯是通過“沖壓”工藝然后氧化制備的。更詳細地說，我們不是控制固有的缺陷簇，而是將它們去除，通過在空氣中進行簡單的熱處理，在石墨烯的基面上留下納米孔。然后納米孔的邊緣用特定的氧基團進行功能化，包括醚（C-O-C）和羰基（C=O）基團。因此，隨著將不可預測的內在缺陷減少到與孔邊緣的氧基組合形成統一的活性位點，我們制備的O-HGr由于擁有固有的晶格缺陷區，可以獲得與氧化石墨烯（O-Gr）相比更高的活性和選擇性。

主要亮點

制備的O-HGr表現出 0.78 V（相對于 氫參比電極RHE）的起始電位值（該值接近熱力學平衡電位）以及 2360 mol kgcat-1 h-1 的高 H2O2 產率（~97% 法拉第效率）。此外，在很寬的電位范圍內，O-HGr 的平均 H2O2 選擇性值為 95%，超過了先前報道的電催化劑。密度泛函理論計算進一步表明，2e- ORR 最活躍的位點是醚和羰基在孔邊緣的協同作用，過電位幾乎為零。

審核編輯：劉清