脉冲电催化原位动态调控活性位策略促进H₂O₂生产

通过氧气还原反应（ORR）原位制备H₂O₂是一种绿色、低成本且对环境友好型的新技术，具备替代传统蒽醌法的应用潜力。碳基催化剂因其来源广泛、可持续性强、成本低廉和优异电化学性能，为通过氧还原反应制备过氧化氢奠定基础。哈尔滨工业大学能源科学与工程学院周伟/高继慧教授团队探索了一种基于脉冲电位电催化的新型原位调控策略，能够对碳基催化剂的活性位点进行原位稳定及动态激活，同时调控界面微环境的中间体吸脱附行为以促进H₂O₂的生成。该策略为电催化反应过程中的原位动态调控提供了一种新的思路，有望被应用于不同电化学过程的跨尺度优化中。

图1. BC（PI/PA-1000-C）和OBC（PI/PA-1000-CBS）催化剂的结构特征
 

（a）OBC的制备流程；（b-c）PI-1000-c（b）和PI-1000-CBS（c）的EDS能量映射谱；（d-f）BC和OBC样品的XPS能谱（d）、XRD图谱（e）和拉曼光谱（f）；（g）BC和OBC样本中OGs的原子百分比。
 

图2. BC（PI/PA-1000-C）和OBC（PI/PA-1000-CBS）的p-2eORR性能。
 

（a）通过设计OBC催化剂来提高脉冲电催化性能的方案；（b）1600 rpm时的RRDE极化曲线（实线）和0.1 M KOH中环形电极处的H₂O₂检测电流（虚线）；（c）在0.05M Na₂SO₄中，催化剂涂覆在碳纤维纸上，扫描速率为20 mV s^-1时的CV曲线；（d）脉冲电位电催化下的电流响应；（e-f）使用OBC和BC样品在恒电位电催化和脉冲电位电解中的H₂O₂产量。
 

图3. 脉冲电位电催化对OBC的稳定效应。
 

（a）PI-1000-CBS在恒定电位下的准原位SEM图像；（b-c）PI-1000-CBS在恒定电位（b）和脉冲电位电催化（c）下5小时的准原位XPS反褶积C 1s光谱；（d）PI-1000-CBS在初始状态下的官能团含量百分比，以及在恒定电位（CP）和脉冲电位（PP）下反应1小时；（e）H₂O₂产量及FE%在恒电位及脉冲电位下随时间的变化，其中先在恒电位下反应30分钟，再切换至脉冲电位反应30分钟，随后经历一次循环。
 

图4. 基于PI-1000-CBS的恒电位和脉冲电位ORR电催化原位拉曼光谱表征。
 

（a）原位拉曼表征原理；（b-c）在恒电位电催化（b）和脉冲电位电催化条件下（c）的D带、G带和G’带的反卷积原位拉曼光谱；（d-e）恒电位和不同脉冲电位E_rest下的半高宽、I_D/（I_G+I_D’）比（d）和相应的拉曼光谱（e）。
 

通过原位拉曼光谱测试揭示了OBC材料活性位点在脉冲电催化条件的动态演化以及界面反应物种的吸附和解吸行为。其中脉冲电位的施加使OBC材料的D带峰面积及FHWM显著增加，表明OBC中位于边缘或sp³杂化处的碳缺陷结构被高度激活，从而增强活性位点和吸收中间体（*O₂或*OOH）之间的相互作用；G带和D’带FHWM的展宽趋势也表明脉冲电位能够对sp²基面碳原子和sp²基面氧化碳原子（如边缘的OGs）产生类似的激活作用。

总结

本文研究致力于探索一种新型、通用型的原位调控技术，即脉冲电位电催化，以动态调节ORR过程中的活性位点和界面微环境来促进H₂O₂的生成。通过探究氧掺杂碳基材料中OGs和边缘缺陷结构在脉冲电位条件下的独特电化学行为，证实了脉冲诱导策略对碳基材料形貌、活性位点、界面微环境及ORR反应路径的原位调控作用。考虑到未来可再生能源的不稳定供电，脉冲电催化具有适应性广、操作简单、效率高等优点，有望为动态催化及可持续绿色化学带来新的发展空间。

哈尔滨工业大学周伟/高继慧教授团队简介

周伟，哈尔滨工业大学青年拔尖副教授/博导。围绕氢能制储用领域的重大需求，聚焦电催化能质转化共性前沿科学问题，致力于低电耗电解水制氢/储氢、氢燃料电池氧还原反应、等离子体电催化的基础研究及技术研发。在Appl Catal B-environ, J Mater Chem A, Chem Eng J, Sep Purif Technol, Electrochim Acta, Chemosphere, Adv Mater Interfaces等学术刊物上发表论文60余篇，相关研究被引用900余次。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金特别资助项目、中国博士后基金面上项目、黑龙江省博后基金(一等)等多项科研项目。
 

高继慧，哈尔滨工业大学教授，教育部创新创业教育指导委员会委员，获国家技术发明二等奖2项、省部级科技奖励3项；主持及组织完成国家科技部项目5项、自然科学基金重点项目及面上10余项，发表学术论文160余篇，申请及授权国家发明**60余项。
 

丁雅妮，博士研究生，博士研究生，现就读于哈尔滨工业大学能源科学与工程学院。主要研究方向为脉冲动态电催化、ORR界面能质传递动态调控、杂原子掺杂碳基电催化剂设计及（光）电催化高级氧化技术。以*一作者及共同作者于Appl Catal B-environ, J Mater Chem A, Adv Mater Interfaces, Chem Eng J, J Colloid Interf Sci, Chemosphere等期刊上发表SCI论文10余篇，被引用次数300余次。

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