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許杰/王舜/王勇?Angew.：環(huán)糊精負(fù)載的Co(OH)2團(tuán)簇實(shí)現(xiàn)高選擇性合成H2O2

過氧化氫(H₂O₂)是一種多功能試劑，在化學(xué)合成、醫(yī)療消毒、紡織制造等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。此外，全球H₂O₂市場價(jià)值在2022年已達(dá)到約52億美元，預(yù)計(jì)未來還將大幅增長。目前，商業(yè)H₂O₂主要采用成熟的蒽醌法生產(chǎn)，具有產(chǎn)率高、制備規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)。然而，該方法不僅能耗高、工藝復(fù)雜、污染環(huán)境，而且還會消耗過量的氫氣和昂貴的鈀基催化劑。

因此，探索在綠色溫和條件下合成H₂O₂的新方法成為一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。其中，電催化合成H₂O₂因具有反應(yīng)條件溫和、能源可再生等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。在催化劑的輔助下，通過二電子氧還原反應(yīng)(2e^– ORR)可以得到H₂O₂。目前，阻礙該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的最大障礙是缺乏高效、低成本的電催化劑。

基于此，溫州大學(xué)許杰、王舜和天津大學(xué)王勇(共同通訊)等人采用溫和、簡便的方法制備了新型環(huán)糊精負(fù)載的Co(OH)₂團(tuán)簇催化劑，該催化劑不負(fù)眾望的展現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能。

為了更好地評價(jià)Co-SCD(環(huán)糊精)基催化劑的2e^– ORR催化活性，本文在氧飽和的0.1 M KOH中，利用三電極體系對催化劑進(jìn)行了電化學(xué)測試。具體而言，Co-SCD-2的半波電位為0.689 V_RHE，起始電位為0.803 V_RHE，高于Co-SCD-1(0.646 V_RHE和0.781 V_RHE)以及Co-SCD-3(0.645 V_RHE和0.757 V_RHE)，這表明Co-SCD-2在2e^– ORR中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。此外，質(zhì)量活性和轉(zhuǎn)換頻率(TOF)也是評價(jià)金屬基催化劑催化活性的重要參數(shù)。

Co-SCD-2在0.6 V時(shí)的質(zhì)量活性為31.7 A g^-1，顯著高于Co-SCD-1(21.9 A g^-1)和Co-SCD-3 (15.6 A g^-1)。而且Co-SCD-2在0.6 V時(shí)的TOF為0.044 s^-1，與Co-SCD-1(0.057 s^-1)非常接近，但遠(yuǎn)高于Co-SCD-3(0.012 s^-1)。令人備受鼓舞的是，制備的催化劑具有良好的H₂O₂選擇性(94.2%~98.2%)和超高的H₂O₂產(chǎn)率(5.58 mol g_catalyst^-1 h^-1)，本文的研究結(jié)果也為制備實(shí)用的高2e^– ORR催化活性的Co基催化劑提供了新的建議。

為了更好地理解Co-SCD基材料的催化機(jī)制，本文進(jìn)行了密度泛函理論計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，Co-SCD-2和Co-SAC(Co-SCD-2)的d帶中心相對于塊體CoOOH(Co-SCD-3)具有明顯的左移，這可能是因?yàn)镃oOOH簇邊緣的O原子只與一個(gè)或兩個(gè)Co原子鍵合，這比塊體CoOOH中的三個(gè)Co原子的成鍵率要低。

Co-O缺乏配位導(dǎo)致邊緣Co-O鍵增強(qiáng)，促進(jìn)了電子從Co向O的轉(zhuǎn)移和d帶中心的左移。S原子和O原子之間的鍵合也可能導(dǎo)致Co原子通過-Co-O-S-向SCD的電荷轉(zhuǎn)移。此外，d帶中心的左移減弱了OOH^*中間體的相對能量，這有利于H₂O₂的形成。

因此，對催化劑d帶中心的調(diào)控可能是設(shè)計(jì)高效2e^– ORR催化劑的一種策略。除了以上結(jié)果，本文還進(jìn)一步計(jì)算Fe-SCD和Mn-SCD的2e^– ORR過程以進(jìn)行比較。研究后發(fā)現(xiàn)，雖然Fe-SCD具有良好的2e^– ORR選擇性，但Fe-SCD對反應(yīng)物的吸附和產(chǎn)物的脫附較Co-SCD-2弱。

因此，F(xiàn)e-SCD的催化活性應(yīng)該遠(yuǎn)低于Co-SCD-2。相比之下，由于O^*+H₂O的相對能量很低，HOOH^*很難在Mn-SCD上生成，因此該催化劑沒有2e^– ORR活性?？傊?，本文為開發(fā)具有高H₂O₂產(chǎn)率和穩(wěn)定性優(yōu)異的催化劑提供了有價(jià)值的策略。

Cyclodextrin-supported Co(OH)₂ Clusters as Electrocatalysts for Efficient and Selective H₂O₂ Synthesis, Angewandte Chemie International Edition, 2023, DOI: 10.1002/anie.202307355.

https://doi.org/10.1002/anie.202307355.

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