过氧化氢（H₂O₂）作为一种环境友好型氧化剂，在医用消毒、污水处理、纸浆漂白、精细化工等领域被广泛应用，且呈现不断增长趋势。工业上H₂O₂通过蒽醌循环法实现大规模制备，但此过程耗能高、污染严重、需大型生产设备，同时高浓度的H₂O₂运输存在安全隐患。与此相比，利用简易的电化学装置，通过2e^-的电化学氧还原反应（2e^- ORR）过程制备H₂O₂，可有效避免H₂O₂的大规模运输，实现H₂O₂现制现用，具有安全便携、绿色环保的特点，具有广阔发展前景，该技术的核心是开发新型高效、低成本的电催化剂。因此，深刻理解催化反应机制，建立催化剂结构与性能之间的“构效关系”具有重要的现实意义。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈亮、陆之毅团队，通过理论模拟，发现原子级分散的Lewis酸性位点（M-O，M = Al、Ga）具有提升含氧碳（O-C）材料电化学制备H₂O₂的潜在能力（Nat. Commun. 2020，11，5478）。计算结果表明，M-O有效调节相邻C催化位点的电子结构，优化反应中间体（*OOH）在催化位点上的吸附-脱附强度（图1）。实验中，研究人员以具有高含量M-O成分的同构MOF（Al-MIL-53、Ga-MIL-53）为前驱体，通过热解、碱洗，制备出具有原子级分散的Lewis酸位点的O-C（M）材料（图2）。催化结果表明，O-C（M）的碱性2e^- ORR催化性能随催化剂Lewis酸性增加而显著增长，两者呈正相关。Lewis酸性最强的O-C（Al）呈现出最佳的2e^- ORR催化性能（图3）。

此外，O-C（Al）在中性2e^- ORR中具有优异的催化活性和稳定性，这对H₂O₂的实际应用具有重要意义。在30 mA·cm^-2的电流密度下，1小时内H₂O₂的产量达到～867ppm（选择性为92%），可用于纸张的漂白（图4）。该研究为电化学制备H₂O₂提供了高效、低成本的电催化剂，具有潜在应用价值。

研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研究开发计划、博士后创新人才支持计划、中国博士后科学基金等的支持。

图1.（a）理论计算模型；（b）2e^- ORR催化性能的模拟火山图；（c）Lewis酸性位点对邻近C原子电子结构的影响

图2.（a-c）O-C（Al）的SEM、HRTEM和ac-STEM；（d）XRD；（e）XPS；（f）固体核磁；（g-h）同步辐射数据

　　图3.（a-c）碱性条件下2e^- ORR活性、选择性及Tafel斜率；（d）高过电位下的2e^- ORR的选择性；（e）O-C(Al)的2e^- ORR稳定性；（f）NH3-TPD性能；（g）Lewis酸性和2e^- ORR性能的关联性

图4.（a-c）中性条件下2e^- ORR活性、选择性及稳定性；（d）H-cell测试；（e）纸张漂白实验

来源：宁波材料所