碳基单原子催化剂在电合成过氧化氢中的精准调控与机制研究

本文系统评述了碳载单原子催化剂(SACs)在电催化氧还原反应(2e- ORR)合成H2O2领域的最新进展，重点探讨了Pt、Pd、Fe、Co等金属单原子活性中心的构效关系，提出了通过配位工程和电子结构调控优化??OOH中间体吸附能的策略，为开发高效、稳定的工业级H2O2电合成催化剂提供了理论指导。

　　

过氧化氢(H₂O₂)作为环境友好型化学品，在消毒、水处理和能源领域具有广泛应用。然而，传统蒽醌法生产工艺存在高能耗、多步骤反应和安全隐患等问题。电催化氧还原反应(ORR)通过2电子路径(2e^-)直接合成H₂O₂被视为理想替代方案，但其发展受限于缺乏高效、稳定且成本低廉的催化剂。碳载单原子催化剂(SACs)因其最大化的原子利用率和可调控的电子结构，成为该领域的研究热点。

研究人员系统评述了碳载SACs在H₂O₂电合成中的最新进展。通过密度泛函理论(DFT)计算和原位表征技术，揭示了Pt-N₄、Fe-N₃S₁等活性中心的构效关系，发现"端基吸附"的O₂分子构型和适中的??OOH吸附能(ΔG_??OOH)是决定选择性的关键因素。研究指出，通过次级配位层工程(如B、S掺杂)可优化金属中心的d带位置，进而调控反应路径。

研究采用高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)确认单原子分散状态，结合X射线吸收精细结构谱(XAFS)解析配位环境，利用旋转环盘电极(RRDE)评估催化性能。重点分析了不同pH条件下(酸性、中性、碱性)的反应机理差异，并建立了催化剂活性-选择性-稳定性的协同优化策略。

在"碳载Pt单原子催化剂"部分，研究显示Pt-S-CNT催化剂在0.1 M HClO₄中实现81.4%的H₂O₂选择性，其硫配位环境能有效抑制O-O键断裂。而"碳载Fe单原子催化剂"章节指出，Fe-N₃S₁位点通过不对称电荷分布促进质子转移，在碱性条件下获得91.4%的法拉第效率。"碳载Co单原子催化剂"研究则发现，Co-N₂-C/HO中的环氧化物基团可优化电子结构，使选择性达91.3%。

结论部分强调，碳载SACs的工业化应用仍需解决三个关键问题：活性位点动态重构的精准表征、公斤级制备的重复性控制，以及与膜电极组件(MEA)的集成适配。该研究为设计下一代高效H₂O₂电合成催化剂提供了理论框架和技术路线，对推动绿色化学工业发展具有重要意义。