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天大ACS Catal.: 制備噻吩-S摻雜碳催化劑,實現高選擇性H2O2電合成

天大ACS Catal.: 制備噻吩-S摻雜碳催化劑,實現高選擇性H2O2電合成
碳材料具有較大的比表面積、較高的電導率和在惡劣的電化學條件下良好的穩定性,因此在可持續能源生產和儲存裝置中具有良好前景。過去幾十年的研究表明,雜原子摻雜可以誘導碳原子之間的電荷重新分布,從而大大提高其電催化活性。
然而,摻雜原子通常位于碳骨架的缺陷或邊緣,因此具有明確摻雜構型的碳納米材料的精確制備尤其具有挑戰性,這阻礙了在碳基納米材料中建立準確的結構-性質關系。明確的結構-性質關系不僅有助于充分理解催化機理,而且有助于設計出更高效的催化劑。因此,構建具有清晰摻雜結構的碳材料是非常必要的,這可以促進碳基材料的進一步發展。
天大ACS Catal.: 制備噻吩-S摻雜碳催化劑,實現高選擇性H2O2電合成
天大ACS Catal.: 制備噻吩-S摻雜碳催化劑,實現高選擇性H2O2電合成
近日,天津大學凌濤尹鵬飛等報道了一種分子編織策略,使用具有明確噻吩-硫(S)構型的分子作為前驅體,合成了噻吩-S摻雜碳(其中S摻雜質量分數高達14 wt%),用于高效過氧化氫(H2O2)電合成。
實驗結果表明,所制備的噻吩-S摻雜碳在0.66 VRHE處H2O2的選擇性高達93%,并且具有良好的反應穩定性。此外,在0.66 VRHE下,噻吩-S的摻雜量與H2O2選擇性之間存在明顯的線性相關性,這表明噻吩-S摻雜確實可以提高碳材料的H2O2選擇性。
天大ACS Catal.: 制備噻吩-S摻雜碳催化劑,實現高選擇性H2O2電合成
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理論計算表明,在2e?ORR的計算過電位(UL)隨ΔG*OOH的變化圖中,原始碳對2e?ORR的效能很低,因為它對*OOH的吸附能力很弱;當S原子以噻吩-S構型摻雜在碳網絡的邊緣時,鄰近摻雜劑的碳原子是2e?ORR的活性位點,ΔG*OOH位于火山圖的右側,這比原始碳更接近頂點,這導致噻吩-S摻雜碳具有優異的H2O2選擇性。
同時,研究人員組裝了一個噻吩-S摻雜碳基Zn-空氣電池,用于同時產生H2O2和發電,其H2O2產生速率為117.7±0.2 mg mg?1Cat h?1,峰值功率密度為82.7±0.8 mW cm?2。綜上,該項工作為高選擇性碳基催化劑的設計提供了思路,拓展了碳基材料在未來能量轉換和存儲設備中的實際應用。
Maximizing thiophene–sulfur functional groups in carbon catalysts for highly selective H2O2 electrosynthesis. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c00419

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