孙旭平教授：Angewandte Chemie International Edition 蜂窝状碳纳米纤维:一种超亲水的O2包载电催化剂，能够为双电子氧还原反应提供超高的质量活性

First published：February 25，2021

第一作者（中文名）：董凯，梁杰

通讯作者（中文名）：孙旭平*，马东伟*，李权*

单位：电子科技大学

【研究背景】

H₂O₂作为一种重要的基础化学品，在现代化工、能源和环境等领域有着广泛的应用。目前工业上采用高能耗的蒽醌循环法制备H₂O₂。但是，蒽醌循环法需要大规模的基础设施，并且导致很高的能耗同时产生很多有机废料和副产物。电化学二电子(2e⁻)氧还原（ORR）被认为是一种很有吸引力的现场直接生产H₂O₂的绿色方法。但是通常情况下，强烈竞争的四电子氧还原反应导致2e⁻ ORR的选择性非常低，因此设计和开发高选择性的电催化剂是2e⁻ ORR生产H₂O₂所面临的关键挑战。

【文章简介】

近日，电子科技大学孙旭平教授Angewandte Chemie International Edition (影响因子：12.959)上发表题为“Honeycomb Carbon Nanofibers: A Superhydrophilic O₂‐Entrapping Electrocatalyst Enables Ultrahigh Mass Activity for the Two‐Electron Oxygen Reduction Reaction”的研究工作。该工作报道了使用超亲水的O₂捕集电催化剂来实现极好的双电子氧还原电催化剂。蜂窝碳纳米纤维能够实现97.3%的高H₂O₂选择性，远高于其固体碳纳米纤维。令人印象深刻的是，这种催化剂实现了高达220 A·g^-1的超高质量活性，超过了所有其他双电子氧还原反应催化剂。具有富含边缘缺陷和氧化官能团的超亲水多孔碳骨架有助于有效的电子转移和电解质对催化剂的更好润湿，并且相互连接的空腔允许更有效地捕获气泡。原位拉曼分析和密度泛函理论计算进一步揭示了催化机理。

【本文要点】

要点一：蜂窝状的富含边缘碳缺陷和氧官能团的一维碳纳米纤维被证实是2e^-氧还原电催化的高活性三合一催化剂。它们的超亲水纳米腔有助于将O₂和水性电解质截留在缺陷活性位点周围，提供丰富的三相界面。

要点二：在0.1 M氢氧化钾中，与RHE相比，这种HCNFs显示出97.3%的高H₂O₂选择性和0.65 V时220 A·g^-1的超高质量活性。原位拉曼数据证实了非晶碳缺陷的重要作用，理论计算揭示了边缘附近的拓扑缺陷是主要的活性位点。

要点三：这项工作不仅为我们提供了一种有吸引力的富含地球的2e^- ORR催化材料，而且为设计三相界面开辟了一条激动人心的新途径，其特点是超亲水性和O₂截留，并提高了应用的2e^- ORR活性。

以下为专访部分

 导师专访

导师解析：（该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。)

电化学二电子(2e−)氧还原（ORR）被认为是一种很有吸引力的现场直接生产H2O2的绿色方法。但是通常情况下，强烈竞争的四电子氧还原反应导致2e− ORR的选择性非常低，因此设计和开发高选择性的电催化剂是2e− ORR生产H2O2所面临的关键挑战。碳材料已经被证实是有效的2e- ORR催化剂，因为，我们通过静电纺丝的方法制备了一维的蜂窝状碳纳米纤维。其内部相互连接的纳米腔不仅能够暴露更多的活性位，促进反应物的质量转移/扩散，而且可确保有效地困住氧气，从而进一步促进催化剂与氧气分子的结合/相互作用。同时，三相界面可实现气体与催化剂之间更加充分的接触，以及更高的H₂O₂选择性和产率。基于密度泛函理论的第一性原理计算结合计算氢电极模型也表明边缘和拓扑缺陷的协同作用能够产生大量的活性位点催化2e− ORR，这些活性位点靠近火山图的顶点（对应于热力学平衡势（0.70 V））。

导师点评：(您对该领域的今后研究的指导意见和展望)

碳材料作为二电子途径氧气还原生产双氧水的理想电催化剂之一，研究人员已经投入大量精力调控其组成，结构，形貌以追求更好的催化效果，但仍缺乏有效的合成策略和提升手段。该研究工作不仅提供了一种极具吸引力的非贵金属2e- ORR电催化材料，而且为设计具有超亲水性和O₂捕获性并提高2e- ORR活性的三相界面开辟了一条新途径。

 【文章链接】

Honeycomb Carbon Nanofibers: A Superhydrophilic O₂‐Entrapping Electrocatalyst Enables Ultrahigh Mass Activity for the Two‐Electron Oxygen Reduction Reaction

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202101880

【通讯作者介绍】

孙旭平，博士，教授，博士生导师，电子科技大学基础与前沿研究院。1997年本科毕业于四川师范学院化学系并留校任教，2005年于中科院长春应化所获博士学位，师从汪尔康院士。2006-2009年期间先后在德国、加拿大及美国从事博士后研究工作，2010年1月加入长春应化所，2015年11月全职到四川大学工作，2018年4月加入电子科技大学。获中科院院长优秀奖（2004）、中科院优秀博士学位论文（2007）、全国百篇优秀博士学位论文（2008）、中科院优秀导师奖（2015）；入选英国皇家化学会高被引作者（2017 & 2018）、化学领域中国高被引学者（2018）及化学和材料领域全球高被引科学家（2018 & 2019）。多年从事功能材料表界面设计与调控及催化和传感应用研究。首次以生物质为原料合成杂原子掺杂荧光碳点，发展了基于掺杂碳点的荧光重金属离子检测新方法；提出保形磷化策略可控制备无表面活性剂过渡金属磷化物纳米结构及三维纳米阵列，实现高效电解水制氢；发展了基于过渡金属磷化物的均相荧光核酸检测新技术及有机小分子电化学传感新器件和新方法；建立了电化学合成氨催化新体系。在 Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett.等刊物发表研究论文530余篇，单篇引用大于200次论文45篇,单篇最高引用1592次, 论文总引约43000次, H 指数109。

https://faculty.uestc.edu.cn/sunxuping/zh_CN/index.htm

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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