高浓度Pt单原子催化剂在酸性中实现高效电催化合成H2O2

单原子催化剂的活性金属具有极高的原子利用率，然而目前绝大多数单原子催化剂的载量仍然很低，催化剂的整体活性非常差。在维持活性金属为单原子状态的前提下，有效提高单原子的载量，从而提升催化剂的整体活性，推动单原子催化剂走向实际应用仍是一个极大的挑战。

双氧水（H₂O₂）在生产生活中应用广泛，在电解液中通过电化学法直接合成H₂O₂具有节能、环保及安全等优点，长期以来一直备受关注。H₂O₂在酸性条件下具有更好的稳定性，因此开发在酸性条件下稳定性好的高效催化剂是电催化合成H₂O₂的难点。理论计算表明，Pt单原子催化剂能够使O₂电催化还原发生两电子过程而生成H₂O₂，因此Pt单原子催化剂在电催化O₂还原合成H₂O₂中具有非常高的潜在应用价值。尤其是具有高浓度的Pt单原子催化剂有望在该反应中表现出超高的催化活性和选择性，从而使电催化合成H₂O₂的实际应用成为可能。

近日清华大学李亚栋院士（点击查看介绍）课题组、彭卿教授（点击查看介绍）课题组与北京化工大学庄仲滨教授（点击查看介绍）课题组合作，发展了离子交换-还原的策略，制备了非晶、空心的超高浓度Pt单原子催化剂：h-Pt₁-CuS_x（Pt含量高达24.8 at%，Figure 1）。与目前大部分单原子催化剂采用含氮或含氧材料为载体不一样的是：该工作从软硬酸碱理论出发，直接采用硫化物为载体，利用硫与贵金属之间的强相互作用，确保了高浓度Pt的原子级分散。

Figure 1. (A) and (B) AC-HAADF-STEM, (C) FT-EXAFS, (D) XANES, (E) structure evolution.

h-Pt₁-CuS_x催化剂在酸性条件下，电催化O₂还原生成H₂O₂反应中表现出非常好的活性，而且在整个测试电压范围内的选择性始终大于90%。在循环10000圈后，催化剂的活性和选择性基本保持不变；进一步的同步辐射表征证实循环后的催化剂仍然是Pt单原子催化剂，而且球差电镜下观察到催化剂仍是非晶的空心结构。采用H₂和O₂直接电催化合成H₂O₂时，H₂O₂的产率高达546±30 mol kg^-1_cat h^-1，该产率是目前已有最佳单原子催化剂的44倍，也是目前最佳热催化剂的4倍（Figure 2）。

Figure 2. (A) RRDE measurement, (B) H₂O₂ selectivity, (C) electrochemical device, (D) The theoretical line indicates the H₂O₂ amount calculated from the current, and the measured line represents the measured H₂O₂ amount by titration using KMnO₄.

这一成果近期发表在Chem 上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

High-Concentration Single Atomic Pt Sites on Hollow CuS_x for Selective O₂ Reduction to H₂O₂ in Acid Solution

Rongan Shen, Wenxing Chen, Qing Peng, Siqi Lu, Lirong Zheng, Xing Cao, Yu Wang, Wei Zhu, Juntao Zhang, Zhongbin Zhuang, Chen Chen, Dingsheng Wang, Yadong Li

Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.04.024

导师介绍

李亚栋

https://www.x-mol.com/university/faculty/12007

彭卿

https://www.x-mol.com/university/faculty/12018

庄仲滨

https://www.x-mol.com/university/faculty/68991