无金属碳材料已成为两电子氧还原反应（ORR）制备过氧化氢（H₂O₂）的高性能、高性价比催化剂。在这里，展示了具有可控氧和缺陷构型的3D皱缩石墨烯，显著改善了 H₂O₂ 的电催化生产。具有最佳缺陷结构和氧官能团的皱缩石墨烯电催化剂在0.05~0.7 V（与可逆氢电极相比）的宽电位范围内表现出92~100%的H2O2选择性，在碱性介质中0.65 V时，获得了158 A g-1的高质量活性。此外，皱缩的石墨烯催化剂在0.4 V（vs.RHE）下表现出较高的473.9 mmol gcat-1 h-1的H2O2生成速率和46 h以上的稳定性。此外，利用密度泛函理论（DFT）计算，通过OOH和O吸附强度之间的标度关系揭示了官能团和缺陷位在双电子ORR途径中的作用。这项研究建立了高效合成H2O2的功能化碳催化剂的结构-机理-性能关系。 
 

Figure 1. （a）扫描电子显微镜（SEM，插图：颗粒的尺寸分布），（b）透射电子显微镜（TEM）和（c）具有OCG-800 d-间距分布的高分辨率TEM（HRTEM）。 (d) 拉曼光谱、(e) X 射线光电子能谱 (XPS) 、高分辨率 (f) C1s、（g）O1s XPS光谱，以及（h）在250至1000℃的不同还原温度下合成的OCG颗粒氧的原子百分比。 (i) 比较各种 OCG 催化剂的物理和化学结构的雷达图。 
 

Figure 2. (a) 在 O₂ 饱和的 0.1 M KOH 中 ，OCG 催化剂在 1600 rpm 和 10 mV s-1 速率下的 ORR 性能比较，实线代表圆盘电极的 ORR 电流密度，虚线代表在环形电极检测到的 H₂O₂ 电流密度。 (b) 计算的 OCG 催化剂的 H₂O₂ 选择性，(c) 比较先前报道的催化剂的选择性和电位窗口，以及 (d) 计算的 OCG 催化剂的电子转移数。 (e) OCG 催化剂的计算 Tafel 图。 (f) OCG-800 在 0.65 V 与 RHE 在 O₂ 饱和的 0.1 M KOH 中的计时电流稳定性测试。 
 
Figure 3. (a) 在碱性介质中，OCG800 和之前报道的催化剂在 0.65 V  RHE 条件下的质量活性比较，由催化剂的总质量归一化。 (b) OCG-250、OCG-500、OCG-800 和 OCG-1000 催化剂在不同反应时间前后的 H₂O₂ 产率，在 H 电池中采用 0.4 V vs. RHE 电解。 (c) OCG-800 在 0.4 V  RHE 下通过计时电流测试连续运行后的稳定性。
  

Figure 4. 不同氧官能团的ORR活性和选择性的DFT结果。 （ a ）本研究中的不同氧官能团的模型系统。黑色和红色圆圈分别表示 C-O-C 型和其他官能团的活性位点。灰色、红色和白色球分别表示 C、O 和 H 原子。 (b) 不同氧官能团的 DGOOH* 和 DGH₂O₂*–DGO* 之间的比例关系。颜色条表示作为 DGOOH* 函数的过电位。封闭和开放的圆圈分别代表基础和边缘模型系统。灰色虚线表示 O₂/H₂O₂ 反应的最佳 DGOOH*。 （ c ）蓝色圆圈显示改编自参考文献的 PtHg₄ 的结果。计算 OOH* 和 O* 在 C-O-C 基底上的电荷密度差。（等值面水平：0.03 e Å^-3）。
  
        相关研究工作由佐治亚理工学院Seung Woo Lee，Marta C. Hatzell和韩国能源研究院Joonhee Kang课题组于2022年在线发表于《Energy & Environmental Science》 期刊上，原文：Structure-controlled graphene electrocatalysts for high-performance H₂O₂ production。

转自《石墨烯研究》公众号