孤立在氮摻雜碳材料中的單個金屬原子 (M-N-C) 是氧還原反應(ORR) 的有效電催化劑，該反應通過2電子或4電子過程產生 H
2O
2或 H
2O。然而，大多數M-N-C催化劑只能對一種產物表現出高選擇性，而且選擇性通常受到復雜結構設計的調控。在此，合成了一種炭黑負載的 Co-N-C 催化劑（CB@Co-N-C）。利用其在CB@Co-NC上實現了可調諧的2電子/4電子行為，H
2O
2產量依賴于電解質的pH值和催化劑負載。在催化劑負載量低的酸性介質中，CB@Co-N-C 表現出優異的質量活性和對 H
2O
2生產的高選擇性。在帶有氣體擴散電極的流通池中，通過CB@Co-N-C 在電解質循環模式下實現了5.04 mol h
−1g
−1的 H
2O
2產率，并并在電解質非循環模式下進行了200 h連續運行。同時，CB@Co-N-C 表現出占主導地位的4電子 ORR 通路，在具有高催化劑負載的 pH 中性介質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 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）傅立葉變換擴展X射線吸收精細結構。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/cm
2），電解質分別為O2飽和的0.1 M KOH，0.1 M PBS（pH=7）和0.5 M H
2SO
4。CB@Co-N-C在三種電解液中的（b）H
2O
2產率和（c）毒化實驗。（d）ORR過程中，計算H
2O
2和H2O生成的催化活性火山曲線圖。（e）H
2O
2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H
2O
2和O
2時的電流響應。
Fig 3. （a）在O
2飽和的0.5 M H
2SO4中，CB@Co-N-C在不同負載量下的（a）LSV曲線和（b）H
2O
2產率。（c）0.5 M H
2SO
4，0.1 M KOH和0.1 M PBS（pH=7）電解質中，CB@Co-N-C在不同催化劑負載量下的H
2O
2產率（at 0.4 V）。（d）CB@Co-N-C和文獻中報道的其它催化劑的質量活性比較（at 0.3 V）。
Fig 4. （a）電解質循環模式下的流動池示意圖。（b）電解液循環模式下，CB@Co-N-C在流動池上的
I-t曲線、H
2O
2累積量和法拉第效率。（c）CB@Co-N-C和文獻中報道的其它催化劑的H
2O
2產率比較（at 0 V）。（d）電解質非循環模式下的流動池示意圖。（e）電解液非循環模式下，CB@Co-N-C在流動池上的電流密度和H
2O
2產率。流動池中使用的是0.5 M H
2SO
4。
Fig 5. （a）在O
2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，轉速均為1600 rpm，CB@Co-N-C和CB@N-C的催化劑負載量為400μg/cm
2。（b）中性介質中，CB@Co-N-C和文獻中報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，CB@Co-N-C和Pt/C在5000圈循環前后的穩定性比較。（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。
相關研究工作由華中農業大學Geng Zhang課題組于2023年在線發表在《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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
