电催化 | Appl. Catal. B: Environ. | MXenes促进Co−N−C高效电合成H2O2

研究速览

■ 近日，华中科技大学王得丽教授课题组在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Nb2CTx MXenes functionalized Co−NC enhancing electrochemical H2O2 production for organics degradation”的研究论文。该论文首次采用MXenes调控Co−NC的结构，MXenes的层状结构促进Co−NC均匀分布有利于暴露更多活性位点，表面丰富的氧基端可以调控Co的电子结构，进一步通过电子显微镜、以及XPS对其结构进行证实。在所合成的Co−NC/MXenes中，Co−NC/MXene40表现出优异的电合成H2O2性能和有机污染物降解效率。

▉  研究摘要  ▉

■ 电合成H2O2是一种很有前途的替代能源密集型蒽醌工艺的方法。氮掺杂碳负载过渡金属（M−N−C）是一种催化活性高的非贵金属催化剂，尤其是Co−N−C催化剂是当前电合成H2O2研究热点。然而，由于Co−N−C的制备条件，催化性能等问题的探究不足，简单及低成本制备活性高、H2O2选择性高的Co−N−C催化剂仍是当前电合成H2O2领域的重大挑战。

■ 鉴于此，华中科技大学王得丽教授课题组报道了一种利用含有丰富氧基端的MXenes调控Co−NC的结构从而提高ZIF-67衍生的Co−N−C催化剂电合成H2O2的选择性。

■ MXenes的引入不仅可以调控Co−N−C的形貌使限域的钴颗粒暴露并且可以调控Co的电子结构。当该催化剂用于电合成H2O2时，H2O2选择性呈现出明显的提高，这归于氧官能团降低了Co的电子密度从而使中间产物*OOH的结合能降低进而有利于电合成H2O2性能的提升。有机染料降解实验结果表明合成的催化剂电合成H2O2产率高，降解有机物效率高。此项工作证实了可以通过同时调控Co−N−C形貌和Co的电子结构来提升Co−N−C催化剂电合成H2O2性能。

▉  研究要点1  ▉

■ 作者将MXenes Nb2CTx引入ZIF-67衍生的Co−NC中，在合成中通过MXenes表面丰富的氧官能团和电负性特性实现了Co的锚定和Co−NC/MXenes的可控合成。电镜和X射线光电子能谱证实了MXenes可以调控Co−NC的结构。电镜表明MXenes可以调控Co−NC的形貌而X射线光电子能谱则证实了MXenes表面丰富的氧基端可以有效调控Co的电子结构，使Co的电子密度降低。

图 1. 电镜和X射线光电子能谱对Co−NC/MXenes40进行结构分析。

▉  研究要点2  ▉

■ 作者通过对比不同的Co−NC/MXenesx（x=0, 20, 40, 60）样品的电合成H2O2性能发现当x=40时，催化剂的电合成H2O2性能最优。进一步的电化学测试结果表明Co−NC/MXenes40在空气氛围也表现了优异的电合成H2O2性能，循环40 h后H2O2浓度可以达到4.8 wt%。

图 2. Co−NC/MXenes电化学合成H2O2性能。

▉  研究要点3  ▉

■ 与传统的电芬顿降解有机物污染物相比，Co−NC/MXenes40催化剂和双阴极相结合的体系表现出快速、可持续的优异的有机污染物降解效果，这归于Co−NC/MXenes优异的H2O2产率和双阴极体系的可持续利用的特性。

图 3. 基于Co−NC/MXenes40催化剂的双阴极体系用于有机物污染物降解效果图。

▉  研究总结  ▉

■作者采用简单的原位、热解方法制备了Co−NC/MXenesx (x=0, 20, 40, 60)催化剂并对其结构/形态和电合成H2O2特性进行了深入研究。在x=40时，催化剂具有最优的电合成H2O2性能。基于一系列表征，证实了Co−NC/MXenes40催化剂电合成H2O2性能得益于MXenes的层状结构和其表面丰富的氧基端可以调控Co−NC的结构。此项研究工作提出了一种对Co−NC及其类似物进行调控的方法，为开发高效电合成H2O2催化剂提供了参考。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337322006786