孤立在氮掺杂碳材料中的单个金属原子 (M-N-C) 是氧还原反应(ORR) 的有效电催化剂，该反应通过2电子或4电子过程产生 H₂O₂或 H₂O。然而，大多数M-N-C催化剂只能对一种产物表现出高选择性，而且选择性通常受到复杂结构设计的调控。在此，合成了一种炭黑负载的 Co-N-C 催化剂（CB@Co-N-C）。利用其在CB@Co-NC上实现了可调谐的2电子/4电子行为，H₂O₂产量依赖于电解质的pH值和催化剂负载。在催化剂负载量低的酸性介质中，CB@Co-N-C 表现出优异的质量活性和对 H₂O₂生产的高选择性。在带有气体扩散电极的流通池中，通过CB@Co-N-C 在电解质循环模式下实现了5.04 mol h⁻¹g⁻¹的 H₂O₂产率，并并在电解质非循环模式下进行了200 h连续运行。同时，CB@Co-N-C 表现出占主导地位的4电子 ORR 通路，在具有高催化剂负载的 pH 中性介质中具有高活性和耐久性。使用CB@Co-N-C 作为阴极催化剂的微生物燃料电池显示出接近基准 Pt/C 催化剂的峰值功率密度。

 
Fig 1. CB@Co-N-C的（a）流程示意图，（b）球差电镜图，其中Co原子用红色圆圈标出和（c）元素分布图。Co箔，CoPc和CB@Co-N-C的（d）K边X射线吸收近边光谱和（e）傅立叶变换扩展X射线吸收精细结构。CB@Co-N-C的（f）Co 2p3/2和（g）N 1s XPS光谱。

         
Fig 2.（a）CB@Co-N-C在RRDE上的LSV曲线（50 μg/cm²），电解质分别为O2饱和的0.1 M KOH，0.1 M PBS（pH=7）和0.5 M H₂SO₄。CB@Co-N-C在三种电解液中的（b）H₂O₂产率和（c）毒化实验。（d）ORR过程中，计算H₂O₂和H2O生成的催化活性火山曲线图。（e）H₂O₂在CB@Co-N-C存在下的分解速率。（f）0.4 V下，CB@Co-N-C在三种电解液中引入H₂O₂和O₂时的电流响应。

 
Fig 3. （a）在O₂饱和的0.5 M H₂SO4中，CB@Co-N-C在不同负载量下的（a）LSV曲线和（b）H₂O₂产率。（c）0.5 M H₂SO₄，0.1 M KOH和0.1 M PBS（pH=7）电解质中，CB@Co-N-C在不同催化剂负载量下的H₂O₂产率（at 0.4 V）。（d）CB@Co-N-C和文献中报道的其它催化剂的质量活性比较（at 0.3 V）。

 
Fig 4. （a）电解质循环模式下的流动池示意图。（b）电解液循环模式下，CB@Co-N-C在流动池上的I-t曲线、H₂O₂累积量和法拉第效率。（c）CB@Co-N-C和文献中报道的其它催化剂的H₂O₂产率比较（at 0 V）。（d）电解质非循环模式下的流动池示意图。（e）电解液非循环模式下，CB@Co-N-C在流动池上的电流密度和H₂O₂产率。流动池中使用的是0.5 M H₂SO₄。

 
Fig 5. （a）在O₂饱和的0.1 M PBS（pH=7.0）中，CB@Co-N-C、CB@N-C和Pt/C在RRDE上的LSV曲线。其中，转速均为1600 rpm，CB@Co-N-C和CB@N-C的催化剂负载量为400μg/cm²。（b）中性介质中，CB@Co-N-C和文献中报道的其它催化剂的半波电位比较。（c）在0.6-1.1 V，扫速为100 mV/s时，CB@Co-N-C和Pt/C在5000圈循环前后的稳定性比较。（d）MFC示意图。CB@Co-N-C、CB@N-C和Pt/C分别作为阴极电催化剂，组装MFC的（e）电压输出曲线和（f）功率密度曲线和电极电势。
 
       相关研究工作由华中农业大学Geng Zhang课题组于2023年在线发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，原文：Carbon Black-Supported Single-Atom Co-N-C as an Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst for H2O2 Production in Acidic Media and Microbial Fuel Cell in Neutral Media。

转自《石墨烯研究》公众号