氮氧共掺杂碳球催化活性位点鉴定及其在高效电化学合成过氧化氢中的机制解析

本研究针对传统H2O2合成工艺高能耗、高污染的瓶颈问题，通过设计含C=O-Gra-N活性位点的氮氧共掺杂碳球（RFC），结合DFT计算与模板辅助热解技术，揭示了表面曲率与杂原子协同增强2e? ORR选择性的机制。该催化剂在900°C优化条件下实现>90%法拉第效率及0.68 V vs. RHE起始电位，并在MEA反应器中稳定运行100小时，为绿色H2O2生产提供了新策略。

　　

过氧化氢（H₂O₂）作为重要的工业氧化剂，其传统蒽醌法合成存在流程复杂、有机溶剂污染等问题。电化学2e^?氧还原反应（ORR）路径虽具潜力，却受限于4e^?副反应竞争及催化剂选择性不足的挑战。碳基材料因其可调控的电子结构成为研究热点，但杂原子掺杂位点与表面曲率的协同机制尚不明确。

为解决这一科学问题，深圳大学的研究团队在《Materials Today Chemistry》发表研究，通过密度泛函理论（DFT）预测与实验验证相结合，设计出具有C=O-石墨氮（Gra-N）活性位点的球形碳催化剂（RFC）。该工作采用模板辅助热解技术，以间苯二酚-甲醛树脂为前驱体，通过精确控制热解温度（900°C）构建曲率结构，结合X射线光电子能谱（XPS）和透射电镜（TEM）表征活性位点分布。

Sample preparation
通过氨催化缩聚反应制备RF树脂球，经高温热解和酸洗处理获得多孔碳球。Density functional theory prediction 显示C=O-Gra-N位点能优化*OOH中间体吸附能，曲率效应通过键应变增强Gra-N活性，理论预测与实验合成的RFC-900°C性能高度吻合。

结论表明：1）C=O-Gra-N位点通过降低*OOH脱附能垒提升选择性；2）曲率结构使活性位点密度增加56.92%；3）RFC-900°C在质子交换膜（PEM）反应器中实现工业级稳定性。该研究为碳基催化剂设计提供了"位点-结构"双优化新范式，推动电合成H₂O₂技术向绿色化、规模化发展。

讨论部分强调，相较于传统量子点或金属催化剂，该碳球材料兼具成本优势与性能优势。未来研究可进一步探索曲率半径与杂原子配比的定量关系。这项工作由国家自然科学基金（22472104）和广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515012075）支持，电子显微镜数据由深圳大学测试中心完成。