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遊雅堂 出金できない王萃娟副教授团队在《Journal of Materials Chemistry A》上发表综述

作者: 日期:2024-09-27 16:59 点击数:

研究背景

过氧化氢(H₂O₂)是一种重要化学品,在化工、环境和能源领域具有广泛应用。传统制备方法如蒽醌法和氢氧混合法具有高能耗、高风险和环境污染等缺点。近年来,两电子氧还原反应(ORR)因其可以在温和条件下高效、绿色地电催化生成H₂O₂,实现现场生产和原位利用,被认为是一种更具前景的方法。然而,传统催化剂如贵金属、单原子催化剂及过渡金属配合物在2e⁻ ORR应用中存在活性低、选择性差、成本高以及制备困难等问题,限制了其实际应用。

1.应用于2e- ORR电催化的有机框架材料及调控策略。

文章要点

要点一:电化学2e- ORR生成H2O2的原理

电化学氧还原反应(ORR)分为两种主要的反应路径:两电子(2e⁻ORR和四电子(4e⁻ORR。在四电子ORR中,氧气被还原为H₂O,而在两电子ORR中,氧气被部分还原为H₂O₂2e⁻ ORR反应过程中,氧气分子通过化学吸附的方式固定在催化剂活性位点上,随后发生质子-电子协同转移,形成*OOH中间体。*OOH在进一步的电子-质子转移中被还原为H₂O₂

要点二:框架材料催化剂

金属有机骨架(Metal-Organic FrameworksMOFs)和共价有机骨架(Covalent Organic FrameworksCOFs)是由金属节点与有机配体或有机单元,通过配位键或共价键相互连接而形成的高度有序的多孔材料。它们具有多样化的结构和可调控的孔隙特征,展现出极大的设计灵活性,能够根据特定的应用需求精准调控材料性质。文章系统分析了不同类型的MOFCOF基催化剂在2e⁻ ORR中生成H₂O₂的结构设计和功能优化策略。对于MOF催化剂,文中探讨了原始MOFsMOF衍生物和MOF复合物在结构设计对催化性能的影响;而对于COF催化剂,文中则聚焦于原始COFsCOF衍生物在提升催化活性方面的策略。通过选择合适的有机配体和金属中心,结合原子修饰工程与碳化工程等策略,调控原子配位环境和孔道性质,可以制备出高活性的MOFCOF基催化剂,从而显著提升催化性能。

2. 原始MOFsMOF衍生物在2e- ORR反应中的优势和修饰方法。

要点三:H2O2的原位利用

为了避免传统工艺中H₂O₂在储存和运输过程中可能发生的分解和副反应,同时提高ORR反应的法拉第效率,实现H₂O₂的原位生成和利用至关重要。在环境治理、污染物降解和绿色化学合成中,原位生成的H₂O₂可以直接作为氧化剂或反应试剂,减少额外化学试剂的使用,降低环境污染风险。实现H₂O₂在多种场景中的高效应用,为工业和环境领域提供更加绿色、安全和经济的解决方案。

该综述以“From structure to function: MOF-based and COF-based catalysts for efficient electrocatalytic H2O2 production via 2e ORR” 为题发表在材料类国际顶级期刊《Journal of Materials Chemistry A》(影响因子:10.7)。其中,遊雅堂 出金できない2023级硕士研究生许滟为第一作者,遊雅堂 出金できない高柱助理教授,王萃娟副教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(No. 21401151)、中央高校基本科研业务费专项资金(No. 2682023ZTPY064)和四川省中医药管理局项目(No. Q115723S02001)的支持。

文章链接:https://doi.org/10.1039/D4TA05404K