中南大学刘敏教授团队发文揭示单原子催化重要进展

中南大学物理与电子学院刘敏教授团队与暨南大学朱明山教授及德国慕尼黑工业大学Emiliano Cortés教授合作，在国际知名期刊 Journal of the American Chemical Society 上发表题为“Identification of the Highly Active Co−N4Coordination Motif for Selective Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide”的研究成果。本项研究有助于单原子催化剂的构效关系理解与电合成H2O2绿色工艺的技术应用。中南大学为该论文的第一完成单位及通讯作者单位。中南大学/暨南大学联合培养博士后陈善勇与博士生罗涛为论文共同第一作者，我校刘敏教授、暨南大学朱明山教授及德国慕尼黑工业大学Emiliano Cortés教授为共同通讯作者。

双氧水(H2O2)是最重要的化学品之一，广泛应用于环境修复、精细化工、电子工业、食品医药等领域。电催化氧还原反应(ORR)可通过两电子路径生产H2O2(2e-ORR)，是一种具有重要应用潜力的H2O2绿色原位制备技术，但酸体系的电合成H2O2性能还需进一步提升。近期，Co-N-C单原子材料作为一类高活性电合成H2O2催化剂受到广泛关注，然而，现行研究关于Co-N-C催化剂的配位结构和ORR性能间存在明显争议(CoN4被报道同时为4e-ORR和2e-ORR高活性位点)，这不利于酸体系高效2e-ORR催化剂的开发。

针对于CoN4单原子催化剂配位结构与ORR反应路径存在争议的现状，本研究提出CoN4中配位氮的类型可能是决定ORR反应路径的重要原因。基于理论计算与分析，本研究发现吡啶氮型CoN4主要展现高4e-ORR性能，而吡咯氮型CoN4是催化2e-ORR的高活性位点。不同CoN4催化剂的ORR反应路径差异源于其与反应中间体的相互作用强弱及其伴随的自旋态差别。实验上构建的Co-N SACDp(吡咯型CoN4)与Co-N SACMm(吡啶型CoN4)分别展现典型特征的2e-ORR和4e-ORR 性能，Co-N SACDp具有高的H2O2选择性(94%)与质量活性(14.4 A gcat-1@0.5 V vs. RHE)。实验构效关系研究结果与DFT理论计算及性能分析保持一致，Co-N SACDp展现较弱的O2/ HOO*的吸附强度，利于HOO*的脱附与H2O2的形成。此外，Co-N SACDp在flow cell中展现长达90 h的工况稳定性，累计生产H2O2达2032 mg，具有一定实际H2O2生产能力与应用潜力。

该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省杰出青年基金、湖南省重点研发项目、粉末冶金国家重点实验室，以及中南大学高性能计算公共平台的支持。

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