我校在富勒烯基高效电催化剂研究领域取得新进展

近日，材料科学与工程学院吕珺教授、沈王强副教授研究团队与海南大学/华中科技大学卢兴教授、张建教授课题组合作，在电催化合成过氧化氢领域取得重要进展。相关研究成果以“Synergistic Single-Atom and Clustered Cobalt Sites on N/S Co-Doped Defect Nano-carbon for Efficient H2O2 Electrosynthesis”为题发表在国际著名学术期刊《Nano-Micro Letters》上。文章第一作者为材料科学与工程学院硕士研究生黄煜中、博士研究生王鑫禹和海南大学/华中科技大学博士生张昌。沈王强和卢兴为通讯作者。

调整碳材料的几何与电子结构对提升碳基催化剂的催化性能至关重要。杂原子（如B、N、S、Co等）因原子半径与电负性不同，掺杂至碳晶格可诱导晶格扭曲和电荷重排，从而增强催化活性。目前，非贵金属掺杂碳催化剂在4e⁻ ORR领域已取得显著进展，部分性能甚至超越贵金属催化剂。然而，在2e⁻ ORR过程中，其活性与选择性仍受限。一方面，该反应动力学较4e⁻ ORR更缓慢；另一方面，传统热解法易引入金属纳米颗粒，而其存在可能抑制2e⁻ ORR反应。近期研究表明，热解掺杂的杂原子与金属纳米颗粒可形成协同催化效应，优于单一金属原子或纳米颗粒。因此，将金属单原子与纳米颗粒协同负载于缺陷丰富的纳米碳基体，有望提升催化活性与选择性，实现更高效的H₂O₂合成。

富勒烯因其天然富含五元拓扑缺陷、高电子亲和力及优异电子传输性能，可通过调控碳笼结构以促进掺杂与活性位点构筑，使基于C₆₀的电催化剂在耐久性和抗腐蚀性上表现突出，尤其适用于酸性环境。本研究首次以富含固有五边形缺陷的C₆₀为碳基底，合成掺杂NSCo单原子及Co纳米颗粒的富缺陷纳米碳催化剂（CoSA/CoNP-NSDNC）。电化学实验表明，NSCo单原子与钴纳米颗粒簇协同构筑活性位点，使催化剂在0.72 V（vs.RHE）展现高活性，且在500mV宽电位窗口内H₂O₂选择性达90%。作为酸性自组装流动池阴极，其H₂O₂生成速率达4206.96mmol·g₍cat₎⁻¹·h⁻¹，法拉第效率约95%，并可高效降解有机污染物。本研究聚焦于非贵金属纳米颗粒、金属单原子位点及拓扑缺陷的协同作用，为高效H₂O₂电合成的碳基催化剂设计提供新思路。

图1 电化学性能和稳定性测试

在0.1M HClO₄溶液中，采用旋转环盘电极（RRDE）和三电极系统对催化剂的ORR性能进行评估。结果表明，与Co-NSC相比，CoSA/CoNP-NSDNC展现出更高的盘电流密度、环电流及H₂O₂产率，其H₂O₂选择性在0.1V至0.6V电位范围内最高达90%。此外，催化剂的起始电位为0.72V（vs.RHE），显著高于Co-NSC的0.64V，表明五边形拓扑缺陷的引入可有效提升ORR活性和H₂O₂选择性。SCN⁻中毒实验进一步揭示了催化剂的活性位点，结果显示SCN⁻能与Co单原子位点结合，导致起始电位降低及盘电流 衰减。此外，与不含Co纳米颗粒簇的NSC60相比，Co单原子与稳定的Co纳米颗粒均对2e⁻ ORR过程起关键作用，证实了二者间的协同效应对催化活性的提升至关重要。

图2 气体扩散电极中电合成过氧化氢产量及稳定性和电芬顿降解有机污染物反应

CoSA/CoNP-NSDNC在酸性环境下展现出卓越的稳定性，5000次循环伏安扫描后，其LSV曲线无明显衰退。相较于Co-NSC，该催化剂具备更高的比表面积与拓扑缺陷密度，表现出更优异的二电子氧还原反应性能。在流动电池测试中，催化剂在O₂饱和酸性条件下，0.056V电位时的H₂O₂产率高达4206.96mmol·g₍cat₎⁻¹·h⁻¹，法拉第效率接近95%。在自然环境条件下，150分钟内H₂O₂累积浓度达2086.72mg·L⁻¹，且产率稳定，经Ce(SO₄)₂溶液吸光度变化验证，其H₂O₂生产过程稳定可靠。循环稳定性测试进一步确认了催化剂的耐久性优异，适用于长期电化学应用。与近期报道的2e⁻ ORR催化剂相比，该催化剂在H₂O₂合成方面表现突出，并兼具优异的稳定性和应用潜力。此外，在电Fenton催化降解实验中，50mg·L⁻¹甲基蓝和孔雀石绿分别在3分钟和25分钟内被快速降解，表明其在有机污染物降解方面同样具备卓越的催化能力。

综上，本研究基于富勒烯的独特拓扑结构，构筑了同时负载NSCo单原子和钴纳米颗粒的富缺陷纳米碳催化剂，并证实了其在2e⁻ ORR中的高效催化性能。研究表明，Co单原子与钴纳米颗粒的协同作用可有效提升催化活性和H₂O₂选择性，同时保持优异的稳定性和耐久性。

本研究全面依托先进能源与环境材料国际科技合作基地、清洁能源新材料与技术学科创新引智基地（111计划）、安徽省先进纳米能源材料国际科技合作基地、先进功能材料与器件安徽省重点实验室等高水平科研平台，相关研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等支持。

原文连接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01657-9

（沈王强/文 沈王强/图 罗来马/审核）

责任编辑：卫婷婷

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