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在酸性介质中推进两电子氧还原反应（2e- ORR）对可持续按需生产过氧化氢（H2O2）至关重要，但工业相关高电流密度下活性和选择性不足。研究人员开发 c-Co-N-C 催化剂，提升性能，为可持续化学合成开辟新途径。
在化学工业的大舞台上，过氧化氢（H
2O
2）作为一种绿色、多功能的化学品，正发挥着越来越重要的作用。它广泛应用于环境保护、医疗卫生、化学合成等诸多领域，是实现可持续发展的关键物质之一。目前，传统的蒽醌法生产过氧化氢存在能耗高、二氧化碳排放量大等问题，而电化学两电子氧还原反应（2e
- ORR）则为其提供了一种极具潜力的绿色生产途径。这种方法不仅能够实现分散化生产，还能大幅降低对环境的影响，与传统方法相比，能量效率提高了 15 - 30%，二氧化碳排放量减少了 50 - 70%。在酸性反应条件下，它还能与质子交换膜（PEM）电解槽直接集成，有效减少 H
2O
2在碱性环境中易降解的问题，进一步提升了其实际应用价值。
然而，这条绿色生产之路并非一帆风顺。在众多催化剂候选者中，氮掺杂碳负载的钴单原子催化剂（Co-N-C）虽然具有明确的活性位点和可调节的电子性质，展现出了巨大的潜力，但在工业级电流密度下，它却面临着严峻的挑战。H2O2的选择性会出现显著下降，降幅超过 30%，而如何在追求高电流密度（目标大于 300 mA/cm2）的同时，保证产品的高选择性（目标大于 85%），成为了制约其实际应用的关键难题。此外，在实际操作条件下，电极界面处质子和氧气的供应有限，导致在工业操作电流（大于 200 mA/cm2）下反应动力学严重受限。当电流密度高于 200 mA/cm2时，界面反应物的消耗会引发氧气不足和局部 pH 值升高超过 3 个单位等问题，这些都从根本上限制了 H2O2的产量。
为了攻克这些难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于开发一种新型的催化剂，以突破现有技术的瓶颈，实现高效的质子交换膜 H2O2生产。
研究人员成功开发出一种曲率定制的钴原子嵌入弯曲氮掺杂碳层的催化剂（c-Co-N-C）。通过有限元模拟发现，这种弯曲的碳载体能够放大界面电场，有效增加局部质子和氧气的浓度。密度泛函理论（DFT）计算则进一步揭示，c-Co-N-C 中钴的 d 带中心下移，优化了?OOH 的吸附，同时抑制了 O - O 键的断裂，稳定了 H2O2中间体。在实际性能方面，该催化剂表现卓越，在较宽的电位窗口内，H2O2选择性接近 90%。在流动池测试中，当电流密度为 300 mA/cm2时，其产率可达 11.70 mol/g-1 h-1，法拉第效率为 80%。将其集成到质子交换膜电解槽中，该催化剂能在 1.9 V 的电池电压下，稳定维持 300 mA/cm2的电流密度长达 120 小时，持续生产出纯度为 4.1 wt.% 的 H2O2溶液。
这项研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，具有重大的意义。它为可持续化学合成开辟了新的道路，通过控制结构修饰引入曲率工程，为先进催化剂的设计提供了一种通用策略，有望推动整个电化学合成领域的发展，促进过氧化氢生产技术的革新，实现更加绿色、高效的生产过程。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- 有限元模拟：构建平面和弯曲基底模型，探究曲率对界面电场和反应物富集的影响。
- 密度泛函理论（DFT）计算：分析钴位点 d 带中心的变化，研究其对?OOH 吸附和 O - O 键断裂的影响。
- 实验合成：通过对 ZnCo-ZIF 前驱体进行可控热处理和选择性蚀刻策略，成功合成 c-Co-N-C 催化剂。
研究结果
- 界面电场和反应物富集：通过有限元分析构建平面和弯曲基底模型，研究发现当弯曲基底直径从 15 nm 减小到 10 nm 和 5 nm 时，界面电场分别增强约 1.4 倍和 2.7 倍，在实际酸性液相条件下也观察到类似趋势。这表明曲率能够有效增强界面电场，促进质子和氧气在反应位点的富集。
- 活性位点优化：密度泛函理论（DFT）计算表明，c-Co-N-C 中钴位点的 d 带中心下移，这种变化优化了?OOH 的吸附，同时抑制了 O - O 键的断裂，从而稳定了 H2O2中间体，提高了反应的选择性和效率。
- 催化剂性能测试：所制备的 c-Co-N-C 催化剂在性能上表现优异。在较宽的电位窗口内，H2O2选择性接近 90%。在流动池测试中，300 mA/cm2电流密度下，产率为 11.70 mol/g-1 h-1，法拉第效率达 80%。在质子交换膜电解槽中，能在 1.9 V 电池电压下，稳定维持 300 mA/cm2电流密度 120 小时，生产出 4.1 wt.% 的 H2O2溶液。
研究结论和讨论
研究人员成功开发的 c-Co-N-C 催化剂，有效解决了酸性 2e- ORR 在工业电流密度下存在的活性和选择性不足的问题。通过曲率工程，不仅增强了反应物的富集，还优化了活性位点，为酸性 2e- ORR 提供了一种高效的催化剂。这种创新的设计策略为先进催化剂的开发提供了新的思路，突破了传统催化剂开发的范式。它通过控制结构修饰，实现了对催化剂性能的精准调控，有望在其他电催化反应中得到广泛应用，推动可持续化学合成领域的发展，具有重要的理论和实际应用价值。
