Ilustração da pesquisa. Crédito:Grupo do Prof. Guan
Como um dos 100 produtos químicos mais importantes do mundo, o peróxido de hidrogênio (H
2 O
2 ) é produzido principalmente pelo método de oxidação de antraquinona (AO) com uso intensivo de energia e resíduos. Substituir o método AO por uma reação eletroquímica de redução de oxigênio de dois elétrons mais benigna para o meio ambiente (2e
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ORR) depende de catalisadores baratos e eficientes.
No entanto, catalisador à base de carbono livre de metal como um candidato promissor se comporta de forma encorajadora apenas sob condições neutras ou alcalinas, onde H
2 O
2 é instável para coleta ou desfavorável para aplicações de ligação, ou seja, a reação e-Fenton. Além disso, continua sendo um desafio identificar os sítios catalíticos ativos reais e os 2e
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subjacentes mecanismo ORR.
Em um estudo publicado em
Chem Catalysis , um grupo de pesquisa liderado pelo Prof. Guan Lunhui do Instituto Fujian de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria da Academia Chinesa de Ciências desenvolveu um ácido 2e livre de metais e altamente eficiente
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Catalisador ORR com taxa de produção de peróxido de hidrogênio registrada com base na modulação do sítio ativo assistida por pirimidina e grafeno de poucas camadas S, N-codopado para otimização eletrônica de valência.
O catalisador exibiu atividade e seletividade excepcionais para 2e
-
ORR em ácido. O H
2 O
2 a seletividade atinge 90%~100% em uma faixa de potencial de 0,20~0,55 V e o máximo H
2 O
2 taxa de produção (4,8 mol·g
-1
·h
-1
) excede todos os H
2 relatados O
2 desempenho de produção de catalisadores à base de material de carbono.
Experimentos e simulações de teoria funcional de densidade (contribuição do Prof. Chai Guoliang) revelaram que o efeito de sinergia do motivo funcional combinado de enxofre oxidado e N-piridínico pode diminuir o nível de Fermi de estados eletrônicos de valência de sítios de carbono de borda ativa e, portanto, leva para a força de ligação adequada do intermediário *OOH para alta seletividade e desempenho 2e
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ORR para H
2 O
2 formação.
Em particular, os pesquisadores observaram uma óbvia mudança de pico para alta energia de excitação C 1s na estrutura fina de absorção de raios-X próxima à borda com incorporação de S, como evidência sólida para a otimização eletrônica de valência da superfície do catalisador de carbono.
Além disso, acoplado à reação de Fenton para um processo elétron-Fenton, pode degradar um poluente orgânico modelo (azul de metileno [MB], 50 ppm) para incolor em um curto espaço de tempo de 15 min.
Este estudo não apenas cria um catalisador à base de carbono eficiente para H
2 O
2 produção em ácido, mas também fornece uma rota útil de otimização de propriedades eletrônicas para ajuste futuro de catalisadores de materiais à base de carbono.
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