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華中農(nóng)業(yè)大學(xué)Geng Zhang課題組--炭黑負(fù)載的單原子Co-N-C催化劑作為酸性介質(zhì)中生產(chǎn)H2O2和中性介質(zhì)中微生物燃料電池的高效氧還原電催化劑

孤立在氮摻雜碳材料中的單個(gè)金屬原子 (M-N-C) 是氧還原反應(yīng)(ORR) 的有效電催化劑，該反應(yīng)通過2電子或4電子過程產(chǎn)生 H₂O₂或 H₂O。然而，大多數(shù)M-N-C催化劑只能對一種產(chǎn)物表現(xiàn)出高選擇性，而且選擇性通常受到復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)控。在此，合成了一種炭黑負(fù)載的 Co-N-C 催化劑（CB@Co-N-C）。利用其在CB@Co-NC上實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的2電子/4電子行為，H₂O₂產(chǎn)量依賴于電解質(zhì)的pH值和催化劑負(fù)載。在催化劑負(fù)載量低的酸性介質(zhì)中，CB@Co-N-C 表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)量活性和對 H₂O₂生產(chǎn)的高選擇性。在帶有氣體擴(kuò)散電極的流通池中，通過CB@Co-N-C 在電解質(zhì)循環(huán)模式下實(shí)現(xiàn)了5.04 mol h⁻¹g⁻¹的 H₂O₂產(chǎn)率，并并在電解質(zhì)非循環(huán)模式下進(jìn)行了200 h連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，CB@Co-N-C 表現(xiàn)出占主導(dǎo)地位的4電子 ORR 通路，在具有高催化劑負(fù)載的 pH 中性介質(zhì)中具有高活性和耐久性。使用CB@Co-N-C 作為陰極催化劑的微生物燃料電池顯示出接近基準(zhǔn) Pt/C 催化劑的峰值功率密度。

Fig 1. CB@Co-N-C的（a）流程示意圖，（b）球差電鏡圖，其中Co原子用紅色圓圈標(biāo)出和（c）元素分布圖。Co箔，CoPc和CB@Co-N-C的（d）K邊X射線吸收近邊光譜和（e）傅立葉變換擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)。CB@Co-N-C的（f）Co 2p3/2和（g）N 1s XPS光譜。

Fig 2.（a）CB@Co-N-C在RRDE上的LSV曲線（50 μg/cm²），電解質(zhì)分別為O2飽和的0.1 M KOH，0.1 M PBS（pH=7）和0.5 M H₂SO₄。CB@Co-N-C在三種電解液中的（b）H₂O₂產(chǎn)率和（c）毒化實(shí)驗(yàn)。（d）ORR過程中，計(jì)算H₂O₂和H2O生成的催化活性火山曲線圖。（e）H₂O₂在CB@Co-N-C存在下的分解速率。（f）0.4 V下，CB@Co-N-C在三種電解液中引入H₂O₂和O₂時(shí)的電流響應(yīng)。

Fig 3. （a）在O₂飽和的0.5 M H₂SO4中，CB@Co-N-C在不同負(fù)載量下的（a）LSV曲線和（b）H₂O₂產(chǎn)率。（c）0.5 M H₂SO₄，0.1 M KOH和0.1 M PBS（pH=7）電解質(zhì)中，CB@Co-N-C在不同催化劑負(fù)載量下的H₂O₂產(chǎn)率（at 0.4 V）。（d）CB@Co-N-C和文獻(xiàn)中報(bào)道的其它催化劑的質(zhì)量活性比較（at 0.3 V）。

Fig 4. （a）電解質(zhì)循環(huán)模式下的流動池示意圖。（b）電解液循環(huán)模式下，CB@Co-N-C在流動池上的I-t曲線、H₂O₂累積量和法拉第效率。（c）CB@Co-N-C和文獻(xiàn)中報(bào)道的其它催化劑的H₂O₂產(chǎn)率比較（at 0 V）。（d）電解質(zhì)非循環(huán)模式下的流動池示意圖。（e）電解液非循環(huán)模式下，CB@Co-N-C在流動池上的電流密度和H₂O₂產(chǎn)率。流動池中使用的是0.5 M H₂SO₄。

Fig 5. （a）在O₂飽和的0.1 M PBS（pH=7.0）中，CB@Co-N-C、CB@N-C和Pt/C在RRDE上的LSV曲線。其中，轉(zhuǎn)速均為1600 rpm，CB@Co-N-C和CB@N-C的催化劑負(fù)載量為400μg/cm²。（b）中性介質(zhì)中，CB@Co-N-C和文獻(xiàn)中報(bào)道的其它催化劑的半波電位比較。（c）在0.6-1.1 V，掃速為100 mV/s時(shí)，CB@Co-N-C和Pt/C在5000圈循環(huán)前后的穩(wěn)定性比較。（d）MFC示意圖。CB@Co-N-C、CB@N-C和Pt/C分別作為陰極電催化劑，組裝MFC的（e）電壓輸出曲線和（f）功率密度曲線和電極電勢。

相關(guān)研究工作由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)Geng Zhang課題組于2023年在線發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，原文：Carbon Black-Supported Single-Atom Co-N-C as an Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst for H2O2 Production in Acidic Media and Microbial Fuel Cell in Neutral Media。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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