Wasserstoffperoxid (H?O? ) ist ein wichtiges , umweltfreundliches Oxidationsmittel mit vielfältigen Anwendungen , von der Desinfektion bis zur chemischen Produktion. Seine industrielle Herstellung ist jedoch weiterhin stark vom energieintensiven und abfallreichen Anthrachinon-Verfahren abhängig. Die elektrochemische Zwei-Elektronen-Sauerstoffreduktion (2e? – ORR) bietet eine nachhaltige Alternative und ermöglicht die Vor-Ort- Erzeugung von H?O? mit Hilfe von erneuerbarem Strom. Obwohl saure Bedingungen besser mit den Anwendungsszenarien übereinstimmen, hat sich die Entwicklung effizienter und stabiler , nicht-edelmetallbasierter Katalysatoren für die saure 2e? – ORR als schwierig erwiesen.
Kürzlich erzielte ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Jianfeng Jia von der Shanxi Normal University einen Durchbruch in der elektrochemischen H?O?- Synthese . Die in Science Bulletin veröffentlichte Studie beschreibt einen neuartigen Katalysator, Cr–N? / C(O), der aus isolierten Chromatomen besteht, die auf einer stickstoffdotierten Kohlenstoffmatrix verankert und zusätzlich mit sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen modifiziert sind.
Die Forschungsarbeit begann mit Molekulardynamiksimulationen, die einen einzigartigen „selbstregulierenden“ Mechanismus aufdeckten. Entgegen der lange vorherrschenden Annahme, dass CrN?- Strukturen Sauerstoff zu stark binden, um eine effektive Katalyse zu ermöglichen, fand das Team heraus, dass die pyrolysierte Cr–N? – Stelle während der Reaktion spontan mit einem axialen Sauerstoffatom koordiniert. Diese selbstgebildete Struktur optimiert die elektronischen Eigenschaften der Stelle, verhindert so effektiv eine Sauerstoffvergiftung und ermöglicht die Reaktion hin zu H?O? .
Auf Grundlage dieser theoretischen Erkenntnis synthetisierte das Team den Katalysator mittels einer Einschlussstrategie, um die atomare Dispersion von Chrom zu gewährleisten. Eine anschließende milde Wärmebehandlung an Luft führte zur Einführung von Sauerstoff-Funktionsgruppen auf dem Kohlenstoffsubstrat. Diese periphere Modifizierung war entscheidend, da sie ein elektronenarmes Chromzentrum erzeugte. Der synergistische Effekt zwischen den axialen und peripheren Sauerstoffatomen optimierte die Wechselwirkung mit O?- Molekülen , stabilisierte die O–O-Bindung und lenkte die Reaktion selektiv in Richtung H?O? – Bildung . Der Cr–N? / C(O)-Katalysator ermöglicht eine hocheffiziente, selektive und stabile H?O? – Elektrosynthese in sauren Medien. Er übertrifft herkömmliche kobaltbasierte Katalysatoren, indem er die H?O?-Reduktion effektiv unterdrückt , dessen Zersetzung verlangsamt und eine verbesserte Beständigkeit gegen Metallauswaschung aufweist.
Diese Forschung identifiziert nicht nur einen überzeugenden neuen Katalysatorkandidaten für die saure 2e ? ORR-Katalyse, sondern bietet auch eine neue Perspektive für die Entwicklung von Katalysatoren mit selbstadaptiven Eigenschaften.
Credits
©Science China Press
