h2o2

康教授和刘洋教授，研究论文:碳点动力学调控驱动的聚苯胺高效氧还原合成H2O2。

[文章信息]

碳点动力学调控驱动聚苯胺高效氧还原合成H2O2

第一作者:周云杰

通讯员:康、刘洋。

单位:苏州大学和澳门科技大学。

[研究背景]

过氧化氢(H2O2)作为一种重要的工业化学品和绿色氧化剂，已被广泛应用于化学合成、能源载体和环境治理等领域。目前H2O2的工业生产多采用蒽醌法，能耗高，成本高，对环境不友好。最近，电催化双电子(2E)氧还原反应(ORR)为实现便携式、环境友好和按需合成H2O2提供了一种有吸引力的方法。然而，4e路线与2e路线竞争，这挑战了高选择性和低成本催化剂的设计。与调整催化剂与OOH*的结合能或调整活性物种的吸附构型以实现有效的2e ORR选择性不同，这项工作将其注意力转向电催化动力学的调整，这是电催化过程中一个重要但很少被注意到的步骤。

鉴于此，本研究试图利用共掺杂碳点(CDs-Co)和PANI构建p-n异质结来调节PANI上的电子转移动力学。此外，利用瞬态光诱导电压(TPV)和脉冲电压诱导电流(PVC)技术分别研究和分析了PANI/CDs-Co表面的电子转移动力学和氧分子活化。这项工作为高效2e ORR催化剂的设计和研究提供了新的思路，也为理解电催化氧还原反应的动力学过程提供了新的途径。

[文章简介]

近日，苏州大学和澳门科技大学的康教授与刘洋教授合作，在国际著名期刊《应用分析B:环境》上发表了题为《碳点动力学调控驱动的PANI上氧气还原高效合成H2O2》的研究文章。本研究中，钴掺杂碳点(CDs-Co)被用来构建p-n异质结以调节聚苯胺(PANI)上的电子转移动力学。PANI/CDs-Co催化剂对H2O2的选择性接近100%。通过气体扩散电极测试，H2O2的产率为3.5mol G1 cat h1 @ 0v vs . rhe。此外，利用瞬态光诱导电压(TPV)和脉冲电压诱导电流(PVC)技术分别研究和分析了PANI/CDs-Co表面的电子转移动力学和氧分子活化过程。

[本文要点]

要点1:材料的合成和表征

通过热解乙酰丙酮钴合成了碳点掺钴CDs-Co。从HRTEM可以看出，碳点的核心具有高结晶度，并且钴元素在碳点处处于单原子分散状态。在苯胺的低温聚合中，引入CDs-Co，最终得到CDs-Co负载均匀的聚苯胺材料。SEM照片显示聚苯胺是一种直径约为90nm的纤维。根据Mott-Schottky的测试结果，PANI和CDs-Co分别是P型和N型半导体，即在PANI/CDs-Co复合材料中形成了p-n异质结。

第2点:电催化性能

电催化实验发现，在碱性溶液中，CDs-Co对H2O2的选择性为3.4%，PANI对H2O2的选择性为76.3%，而PANI/CDs-Co-2与CDs-Co复合时，对H2O2的选择性接近100%(0.2V-0.5V)..此外，在连续10小时的试验中，催化剂的选择性保持稳定，没有明显的衰减。

第三点:应用空气体扩散电极

随后，用气体扩散电极检测PANI/CDs-Co-2的实际H2O2产率(PANI/CDs-Co-2分别喷涂在气体扩散层上作为阴极，碳纸作为阳极)。在0V时，液流电池的氧还原电流为85ma·cm-2，H2O2的产生速率为3.5mol·G1 cath 1，法拉第效率为86.5%。该催化剂显示出比近年来报道的大多数催化剂更高的H2O2产率。

第四点:脉冲电压感应电流测试和氧活化过程分析。

上述电化学测试结果表明，PANI/CDs-Co-2具有良好的2e ORR选择性，但PANI和CDs-Co的电子转移数分别为2.48和3.90。因此，这两种成分如何协同催化ORR的2e路径值得研究。在电催化过程中，催化剂通过促进所需的电子转移来加速反应，电子转移往往相当快，并导致化学键的断裂和新化学键的形成。本文利用脉冲电压感应电流技术研究了不同偏压下的ORR过程。储存在催化剂中的电荷由材料本身的双电层电容和伪电容决定。

这项工作表明O2分子首先被吸附到催化剂的表面。当施加偏压时，电子开始从催化剂转移到O2分子，然后O2分子充当介质并开始存储电荷。不同超电势下O2分子的影响如图3e所示。随着过电位的增加，向O2分子输送电子的能力越强，储存的电子就越多。当达到ORR的临界电势时，O2分子开始从电介质转变为活性物种。值得注意的是，引入CDs-Co后，激活O2分子所需的过电位明显降低。当达到极限电流密度时，O2的吸附和消耗达到动态平衡，电容值不会继续增加。

第5点:瞬态光致电压测试和电子传输行为分析

为了研究聚苯胺和CDs-Co界面的电子转移行为，采用TPV技术对其进行了分析。首先，随着CDs-Co的引入，复合材料的衰减曲线呈现负信号，这是由于PANI和CD-Co之间形成了异质结，PN异质结的存在使得电子从高费米能级的PANI流向低费米能级的CDs-Co。在所有样品中，PANI的曲线衰减速度最慢。随着复合材料中CDs-Co比例的增加，时间衰减常数逐渐减小，表明复合材料界面的电荷转移行为加快。但衰减时间不能完全反映电荷转移的动态过程，界面电荷具有不同的转移速率。因此采用连续小波变换对曲线进行进一步分析，这是一种针对非静态信号的频率尺度/时间尺度分析方法。

分析结果表明，由于PANI和CD-Co之间建立了pn异质结，当施加偏压时，电子将从PANI转移到CDs-Co。CDs-Co能加速配合物的慢电子转移，但对快电子转移过程无明显影响。图4j是CDs-Co调节PANI上电子转移行为的示意图。CDs-Co越多，PANI向CDs-Co的电子转移越快，导致PANI上的瞬时电子浓度越低。较低的瞬时电子浓度使得O2分子无法接收足够的电子，这导致反应倾向于由2e路径所主导。同时，CDs-Co上的瞬时电子浓度增加，但CDs-Co驱动的4 EORR较弱，整体可以忽略。但当CDs-Co含量过大时，CDs-Co上的4e不可忽略，复合物的整体选择性会下降，这也与电化学测试结果一致。

[文章链接]

碳点动力学调控驱动的聚苯胺氧还原高效合成H2O2

https://www . science direct . com/science/article/pii/s 0926337322010463

[通讯员介绍]

康教授简介:苏州大学教授，博士生导师。主要研究方向是:围绕碳、硅量子点、团簇和金属/半导体纳米粒子，致力于揭示介观体系中团簇、量子点和纳米粒子的表面化学、催化性质、光电化学性质及相关基本规律。构建纳米复合体系，设计和控制其性质和功能，以仿生催化、高效绿色催化、高效能量转换、太阳能光解水等仿生体系设计为目标。国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，英国皇家化学学会院士。

作为第一作者或通讯作者在Science、J.AM.Chem.SOC、Angew.Chem.int.ed、Adv.mater等著名学术期刊发表学术论文200余篇，论文被引用26000余次。应邀撰写科研著作3篇，总结5篇。1项研究成果被评为“2015年中国十大科学进展”，1篇论文入选“2015年中国最具影响力国际学术论文百强”。相关成果在《科学》、《化学世界》、《NPG亚洲材料》、《当代科学》等杂志以及Nanotechweb.org、Physicsworld.com等国内外科技媒体上发表。在国际和国内学术会议上应邀/应邀报告80多次。9项授权发明专利。

​

刘洋教授简介:苏州大学教授，博士生导师。主要研究方向是:以胶体化学为研究手段，以金属、半导体纳米材料及其复合结构为研究核心，致力于多功能、复合体系的设计与构建，揭示其结构与性能的关系。利用复合体系的协同效应和能量转移，实现多级纳米结构的构建及其性能的仿生设计。研究对象针对太阳能利用、环境与新能源、植物生长等领域。在Science、Nature Commun等国际权威杂志上发表学术论文200余篇。能源环境。Sci。，Angew。化学。里面的由…编辑脱线。和Adv. funct。脱线。他已被授权发明7项专利。曾担任《J.AM.Chem.SOC》、《all》、《纳米级》、《J.Mater.Chem.A》、《ACS APPL》、《Mater.Interface》等20余种国际学术期刊的审稿人..

[第一作者介绍]

周云杰博士:2020年在苏州大学功能纳米与软物质研究所获得博士学位。2020年起在苏州大学康教授课题组从事博士后研究。主要研究方向为:碳基纳米材料的制备、性能调控及能源和环境催化研究，包括氢氧燃料电池、电解水、电催化还原二氧化碳、电催化生产过氧化氢等。至今在Adv. Funct等高水平SCI期刊上发表研究综述论文10余篇。脱线。，应用目录。B-Environ。列特能源协会。，化学。工程师j和J. Mater。化学。a .作为第一作者或通讯作者，并主持国家自然科学基金项目1项。