Ultra-low single-atom Pt on g-C3N4 for electrochemical hydrogen peroxide production

Hongcen Yang, Niandi Lu, Juntao Zhang, Rui Wang, Shuhao Tian, Mengjun Wang, Zhixia Wang, Kun Tao, Fei Ma*, Shanglong Peng*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.337

H₂O₂ 作为一种多功能环保型氧化剂，在废水处理、有机合成、生物医学等领域有着广泛的应用。目前H₂O₂ 主要通过蒽醌法合成的。但其中蒽醌法复杂的间接氢化/氧化，导致其运行成本高，环境污染严重。如何通过经济、环保的工艺制备H₂O₂ 已成为当前的研究热点。目前，利用二电子氧还原（2e^- ORR）电化学合成H₂O₂ 提供了一种可行的替代方法，已经引起了广泛关注。但与化学合成相比，电化学合成H₂O₂ 的效率普遍较低。为此，设计出具有优异2e^- ORR 能力的电催化剂是实现工业化应用的前提。铂基材料在ORR 领域展现出了优异的电催化性能和巨大的发展潜力。然而，高成本和稀缺性限制了它们的广泛应用。因此，这是一个具有挑战性的任务：在保证催化性能的基础上，降低生产成本，减少铂的用量。

基于此，兰州大学清洁能源材料团队将超低含量的Pt单原子(0.21 wt‰)锚定在g-C₃N₄ 纳米片上制备了Pt0.21/CN 催化剂，其具有良好的二电子氧还原(2e- ORR) 能力，实现了贵金属催化剂低负载、高活性的构想。相关研究成果以“Ultra-Low Single-Atom Pt on g-C₃N₄ for Electrochemical Hydrogen Peroxide Production ”为题，发表在Carbon Energy 上。彭尚龙教授和马飞副教授为文章通讯作者，博士研究生杨红岑为文章的第一作者。

该工作成功实现了在g-C₃N₄ 纳米片上以超低含量锚定铂单原子（0.21 wt‰）（Pt_0.21/CN）。所获得的Pt_0.21/CN 催化剂对过氧化氢（H₂O₂）具有优异的二电子氧还原（2e^- ORR）能力。与CN相比，其H₂O₂ 选择性从80%提高到98%。此外，Pt_0.21/CN 的H₂O₂ 产率为767 mmol gcat-1 h-1，是CN的11.1倍。

Figure 1. XRD patterns of Pt₀/CN, Pt_0.11/CN, Pt_0.21/CN, and Pt_0.37/CN.

Figure 2. Spectroscopic features of Pt/CN. High-resolution (A) C 1s and (B) N 1s XPS spectra of Pt/CN.

Figure 3. (A) SEM image, (B) HRTEM image, (C) HAADF-STEM-EDS mapping images, (D) HAADF-STEM images of Pt_0.21/CN. (E) The normalized XANES spectra at the Pt L₃-edge of Pt foil, Pt_0.21/CN, and PtO₂. (F) Fourier transformed (FT) k³-weighted χ(k)-function of the EXAFS spectra for Pt foil, Pt_0.21/CN, and PtO₂.

Figure 4. Electrocatalytic performance of Pt₀/CN, Pt_0.11/CN, Pt_0.21/CN, and Pt_0.37/CN: (A) ORR disk current density together with the ring currents at a fixed potential of 1.20 V vs. RHE. (B) H₂O₂ selectivity (H₂O₂%). The comparison of (C) current densities, (D) selectivity before and after the stability test of Pt_0.21/CN (The stability test: the cyclic voltammetry (CV) was conducted in O₂-saturated electrolytes (0.1 M KOH) from 0.2 to 1 V vs. RHE at a scan rate of 50 mV s^-1). (E) The H₂O₂ production rate of Pt₀/CN and Pt_0.21/CN in 0.1 M KOH. (F) Time dependent H₂O₂ concentration measured in the H-cell test at 0.6 V vs RHE for 10 h. The accumulated H₂O₂ concentration when the product is continuously cycled for 10h.

在这项研究工作中，团队成员通过简单的两步热解法，成功地将Pt SACs 固定在CN 上。优化后的Pt/CN 单原子催化剂的铂含量极低，达到了~0.21 wt‰。值得注意的是，Pt_0.21/CN 保持着高效的电化学H₂O₂ 生产能力。这项工作大大减少了贵金属的使用，同时确保了电化学合成H₂O₂ 的高活性、高选择性和高稳定性。这项工作能为实现低金属负载和高催化活性的贵金属电催化剂的设计开辟了一条有效途径。

排版 |熊可心

初审| 潘小丫 

终审| 李娟