第一作者：Yang Xia, Xunhua Zhao.

通讯作者：Yuanyue Liu ，Haotian Wang

通讯单位：Rice University

研究内容：

过氧化氢(H₂O₂)的氧还原反应为H₂O₂的生产提供了一条绿色的替代路线，但该反应缺乏高效的催化剂，很难使其在工业生产同时实现高选择性和高活性。在这里，作者报道了硼掺杂碳(B-C)催化剂可以解决这种活性-选择性的难题。与最先进的氧化碳催化剂相比，B-C催化剂在工业电流下表现出更高的活性，同时能够保持高的H₂O₂选择性。密度泛函理论计算表明，由于低的热力学和动力学障碍，硼掺杂位点是H₂O₂活性和选择性高的原因。在多孔固体电解质反应器中，B-C催化剂可直接连续生成纯净的H₂O₂溶液，具有高选择性(高达95%)和高H₂O₂电流(高达~400 mA cm^-2)，表明该催化剂在未来的实际应用中具有巨大的潜力。

要点一：

作者最近报道的氧化碳(O-C)催化剂也表现出很高的H₂O₂选择性，超过90%。但由于其表面氧化引起的表面电荷转移电阻率，使其在大电流下动力学反应缓慢，在这里作者硼掺杂碳(B-C)作为H₂O₂的高选择性和活性2e^-ORR催化剂。该催化剂降低了超过210 mV的过电位， 电流高达300 mA cm^-2和约85%的H₂O₂法拉第效率(FE)。在连续电解30 h的条件下，B-C催化剂的活性和选择性表现出了良好的稳定性。此外，作者开发了固态电解质反应堆，通过B-C催化剂氧还原制备过氧化氢。

要点二：

作者通过其他非金属掺杂，包括N、P和S，来证明B掺杂的优越性。与B-C相比，N/P/S掺杂表现出缓慢的H₂O₂活性或者较低的选择性，证明了掺杂剂通过调节碳基催化剂的电子结构，从而调节H₂O₂选择性和活性方面发挥了中心作用。作者通过DFT揭示了B-C催化剂中硼的位置是H₂O₂活性和选择性的来源。

图一：（a,c）在不同电解液中，B/N/P/S掺杂的LSV曲线；（b,d）B/N/P/S掺杂的H₂O₂选择性和法拉第效率。

图二：（a）B-C的背散射电子(BSE)图像和对应的(B)碳和(C)硼的波长色散光谱(WDS)元素映射。（d, e）纯C和纯B-C的SEM形貌。（f）B-C的高分辨率TEM图像。（g）XPS图谱。（h）拉曼光谱。

图三：（a-d）B/P/N/S-掺杂石墨烯的首选OOH吸附构型示意图。（e）O₂还原路径的自由能分布图。 

图四：在恒定电位MD模拟O₂还原途径的2e^-和4e^-途径，初始快照(左图)、最高自由能快照(中间图)和最终快照(右图)。

图五：(a) 1M KOH和(d) 1M Na₂SO₄中纯C，B-C和O-C的I-V曲线。(b) 1M KOH和(e) 1M Na₂SO₄中法拉第效率和H₂O₂分电流的测量。三种催化剂在(c) 1M KOH和(f) 1M Na₂SO₄中对应的Tafel图。（g） B-C催化剂在1 M KOH中200 mA cm^-2下的稳定性测试。

图六：（a）固体电解质电池结构的示意图。（b） I-V曲线及相应的H₂O₂法拉第效率。(c)不同电位下对应的H₂O₂分电流和H₂O₂生成速率。(d) B-C的稳定性试验。

参考文献:

Xia Y, Zhao X, Xia C, et al. Highly active and selective oxygen reduction to H₂O₂ on boron-doped carbon for high production rates [J]. Nature Communications, 2021, 12 (1):4225.