以下文章来源于邃瞳科学云 ，作者作者团队
第一作者：俞志勇，吕生瑶
通讯作者：黄小青教授，徐勇教授，杨利明教授
通讯单位：厦门大学，广东工业大学，华中科技大学
论文DOI：10.1002/adma.202208101
全文速览
电化学还原法由于能够在温和条件下将O2转换为H2O2而引起了人们的广泛关注。因此，开发兼具高性能、高选择性以及高稳定性的优异催化剂对于电合成H2O2技术的实际应用至关重要，但目前仍然面临着巨大的挑战。本文报道了非晶PdSe2纳米颗粒（a-PdSe2 NPs）中Pd位点的低配位结构能够显著促进电催化合成H2O2。测试结果表明a-PdSe2 NPs在不同pH电解质中表现出超过90%的高选择性以及优异的产率，在三相流动池反应器中的测试结果进一步表明a-PdSe2 NPs在实际应用中的巨大潜力。详细的研究和理论计算结果表明，a-PdSe2 NPs中Pd原子的无序排布能够促进其活性，低配位环境下的Pd位点可以优化材料对含氧中间体的吸附，抑制O-O键的裂解，从而显著提高H2O2选择性和产率。
背景介绍
H2O2是一种环境友好型氧化剂，在环境修复、化学合成和卫生等领域有着广泛的应用。目前的H2O2合成工艺存在着环境污染（如蒽醌法），H2O2选择性和产率低（H2和O2直接法合成H2O2）等缺点。电化学还原法由于能够在温和条件下将可再生的电能转换为H2O2而引起了人们的广泛关注。然而，电合成H2O2技术的大规模应用还面临着诸多挑战：1）电催化剂对H2O2选择性低及产率低的问题；以及2）缺少用于全pH范围内电合成H2O2的通用型催化剂，而只能单独在特定的电解液中工作。因此，目前迫切需要开发具有高选择性和pH通用的H2O2电合成催化剂。
厦门大学黄小青教授、广东工业大学徐勇教授、华中科技大学杨利明教授课题组基于材料制备表征、电催化性能测试以及理论模拟方面的合作，开发设计了一种能够在全pH范围内表现出电催化生成H2O2优异选择性与产率的非晶硒化钯纳米材料。在这项工作中，基于非晶态材料中原子的无序排列能够显著地促进许多电催化反应的活性，研究人员设计制备得到了具有低配位Pd位点的a-PdSe2NPs用于高效电催化合成H2O2。性能测试结果表明a-PdSe2 NPs在不同pH电解质中分别表现出90.6 %（0.1 M KOH）、95.8 %（0.1 M HClO4）以及96.3 %（0.1 M Na2SO4）的高选择性，同时在H型电解池中，a-PdSe2NPs在碱性、酸性以及中性环境下的H2O2产率能够达到3245.7、1725.5和2242.1 mmol gPd-1 h-1，证明该材料能够作为一种在全pH范围内高效电催化合成H2O2的催化剂。在三相流动池反应器中的测试结果显示a-PdSe2 NPs在0.1 M Na2SO4中经过2 h的富集后，产生的H2O2能够达到1081.8 ppm，表明a-PdSe2 NPs在实际应用中的潜力。通过详细的结构表征与理论计算分析，a-PdSe2 NPs中Pd原子的无序排布能够促进其活性，低配位环境下的Pd位点可以优化材料对含氧中间体的吸附，抑制O-O键的裂解，从而显著提高H2O2选择性与产率。该工作为电合成H2O2提供了一种pH通用型催化剂的设计思路，可进一步促进功能型催化剂设计的基础研究。
图文解析
图1. a-PdSe2 NPs与c-PdSe2 NPs的制备：制备得到具有非晶态结构的PdSe2纳米材料以及晶态结构的PdSe2纳米材料。
图2. a-PdSe2 NPs与c-PdSe2 NPs的结构表征：a-PdSe2NPs与c-PdSe2中Pd位点呈现孤立位点状态，与c-PdSe2 NPs相比，a-PdSe2 NPs中孤立Pd位点具有更低的配位数，同时展现出更高的电子密度。
图3. a-PdSe2 NPs与c-PdSe2 NPs的电催化2e- ORR性能：a-PdSe2NPs在不同pH电解质中分别表现出90.6 %（0.1 M KOH）、95.8 %（0.1 M HClO4）以及96.3 %（0.1 M Na2SO4）的高选择性，远优于a-PdSe2 NPs。同时在H型电解池中，a-PdSe2 NPs在碱性、酸性以及中性环境下的H2O2产率能够达到3245.7、1725.5和2242.1 mmol gPd-1h-1。
图4. a-PdSe2 NPs的稳定性测试与实际应用：a-PdSe2NPs活性在经过10 h的连续测试后未发生明显衰减，在三相流动池反应器中经过2 h的富集，H2O2浓度能够达到1081.8 ppm。
图5. DFT理论计算：a-PdSe2NPs能有效吸附*OOH中间体，同时抑制O-O裂解，从而增强材料电催化合成H2O2的性能。
总结与展望
综上所述，本工作报道了一种具有非晶结构的PdSe2纳米颗粒，在全pH范围能够高选择性的电催化合成H2O2。详细的表征与理论计算结果表明，a-PdSe2 NPs中低配位Pd位点与无序的Pd原子排列二者的协同作用能够显著提升电化学合成H2O2的催化性能。其中，低配位Pd位点可以优化对含氧中间体的吸附，并且抑制O-O键的裂解，从而显著提高H2O2选择性和产率。
作者简介
黄小青教授：厦门大学教授。2005年于西南师范大学（现西南大学）获理学学士学位。2011年于厦门大学获理学博士学位，导师为郑南峰教授、郑兰荪院士。2011-2014年在美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授、段镶锋教授课题组从事的博士后研究工作。2014年至今先后于苏州大学材料与化学化工学部、厦门大学化学化工学院担任特聘教授，博士生导师。2020年获国家杰出青年科学基金资助，课题：贵金属纳米材料合成化学。以通讯作者身份在Science, Sci. Adv., Nat. Nanotechol., Nat. Synth., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., Acc. Chem. Res. 等学术刊物上发表多篇研究论文。目前兼职：Science Bulletin、Rare Metal和Science China Materials客座编辑或编委。研究兴趣：贵金属纳米材料的精准制备及其电、热、光催化应用研究。课题组链接：https://xhuanggroup.xmu.edu.cn
徐勇教授：广东省自然科学基金杰出青年基金获得者，江苏省双创博士(2018)。2013年在中国科学技术大学化学物理系获得博士学位，并于2011-2012期间在意大利国家核物理研究院弗拉斯卡迪国家实验室进行博士联合培养。2013年加入中国科学院上海高等研究院低碳科技中心，并在2014-2017年先后苏州大学功能纳米与软物质研究院以及美国劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究。2017年以副教授加入苏州大学纳米科技学院，2020年加入广东工业大学材料与能源学院。目前以一作和通讯作者身份在Nat. Synth., Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc., Energy. Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Sci. Bull. 等高水平期刊发表论文90余篇。主要研究方向为功能纳米催化剂的表界面改性及其在多相催化方面的应用研究。
杨利明教授：华中科技大学教授。2008年于吉林大学获博士学位，之后在挪威、美国、德国等多个知名科研院所开展研究工作，2016年2月入职华中科技大学开展独立研究工作。2014年入选德国Hanse-Wissenschafts-Kolleg (HWK), Institute for Advanced Study高级研究所的Fellow，2016年当选全国材料新技术发展研究会常务理事，2017年入选楚天学者，2019年入选华中卓越学者，2021年入选2021 Emerging Investigators in Crystal Growth & Design。目前主持国家自然科学基金/面上项目（3项）、人才引进基金、自主创新基金、人才培育基金等，作为骨干成员参与国家重点研发计划(科技部)项目2项。以通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int., Adv. Mater. 等国际知名刊物发表论文100多篇。主要研究方向为新型功能材料设计及催化反应机理研究。
转自：“我要做科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
