過氧化氫（H₂O₂）作為綠色氧化劑，在污水處理、化學(xué)合成等領(lǐng)域至關(guān)重要。傳統(tǒng)蒽醌法生產(chǎn)H₂O₂能耗高、副產(chǎn)物多、碳排放量大，而酸性條件下的電化學(xué)氧還原（2e ORR, O₂?+ 2e + 2H⁺?→ H₂O₂）憑借低碳、原位生產(chǎn)的優(yōu)勢，成為理想替代方案。其中，*OOH是ORR過程的關(guān)鍵中間體，*OOH在活性位點上的吸附強度決定了ORR的2e/4e路徑選擇性及活性。一方面，如果*OOH在活性位點上吸附太弱，則電催化過程難以啟動，造成催化劑活性低；另一方面，如果*OOH在活性位點吸附過強，則易發(fā)生O-O鍵斷裂和4e ORR過程，造成2e ORR選擇性差。因此，如何調(diào)控催化劑電子結(jié)構(gòu)，使得*OOH在活性位點上的吸附強度適中是開發(fā)高活性、高選擇性酸性2e ORR催化劑的核心難點。

中科院上海高等研究院楊輝研究員團(tuán)隊與寧波中科科創(chuàng)利用活性氣體對金屬原子的“拖拽效應(yīng)”，拉長了Co原子與N原子的配位鍵長，誘導(dǎo)Co-3d軌道上電子的高自旋排布構(gòu)型，得到一種高自旋CoN₄-C催化劑（CoN₄-C-NH₃）。CoN₄-C-NH₃解決了*OOH在傳統(tǒng)CoN₄-C催化劑上吸附過強、2e ORR選擇性低的問題，展示出優(yōu)異的2e ORR電催化活性（0.698 V vs. RHE）與H₂O₂選擇性（91.4%），并在流動池應(yīng)用中展現(xiàn)出極高的電流法拉第效率（91%）。相關(guān)成果以“Engineering spin state of CoN₄-C single atom catalyst for acidic electrosynthesis of hydrogen peroxide”為題發(fā)表在Nano Energy上，論文第一作者是寧波中科科創(chuàng)朱艷萍博士。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111142

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖1. CoN₄-C-Ar/CO₂/NH₃催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計與電子結(jié)構(gòu)分析

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2. CoN₄-C-Ar/CO₂/NH₃催化劑電催化2e ORR性能及流動池應(yīng)用數(shù)據(jù)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3. CoN₄-C-Ar/CO₂/NH₃催化劑的原位自旋態(tài)結(jié)構(gòu)表征

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖4. 密度泛函理論研究