合肥工业大学吕珺教授/沈王强副研究员联合海南大学张建教授：生物质衍生多孔碳在中性电解质中实现过氧化氢的高速电合成

生物质衍生多孔碳在中性电解质中实现过氧化氢的高速电合成

题目：High-Rate Electrosynthesis of Hydrogen Peroxide in Neutral Electrolytes Enabled by Biomass-Derived Porous Carbon

作者：Yangkai Li, Xinxin Zhang, Xinyu Wang, Jingning Wu, Jian Zhang, Dazhi Yao, Minna Guo, Jitraporn Vongsvivut (Pimm), Jun Lv, Wangqiang Shen

DOI：10.1002/cnl2.70169

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70169

第一作者：李洋凯、张新新、王鑫禹

通讯作者：沈王强、吕珺、张建

单位：合肥工业大学、海南大学

研究背景

过氧化氢(H2O2)作为一种绿色强氧化剂，被广泛应用于工业和民生等领域。然而，其来源强烈依赖于高能耗的蒽醌工艺，存在严重的环境危害和安全风险。特别是在当今全球碳中和目标下，实现长远发展难度很大。因此，需要开发一种更高效、更环保、更安全、成本更低的过氧化氢合成方法。阴极氧还原电合成方法因其能够利用清洁能源(太阳能、风能等)实现分布式生产而广受关注。然而，挑战在于氧还原反应(ORR)可以在酸性溶液中通过竞争四电子(4e−)途径生成H2O，或者在碱性介质中通过竞争四电子(4e−)途径生成OH−，从而导致选择性问题。因此，开发高活性、高选择性、高稳定性的2e− ORR电催化剂是很有必要的。

贵金属及其化合物基催化剂(如Au、Pd、Au-Pd)已被证明在H2O2生产中表现突出，但其高昂的成本和稀缺的资源限制了其大规模应用。鉴于此，开发非贵金属或无金属催化剂成为新的研究热点，其中碳基材料以其丰度高、成本低、稳定性好而受到广泛关注。早期的研究表明，原始的碳材料不具有产生H2O2的活性。因此，有必要对碳表面进行定制，合理调整其电子和物理结构，从而提高氧还原反应的活性和选择性。其中，杂原子掺杂和构建孔结构被认为是提高催化剂性能的有效手段，这对重新分配表面电子密度和提高2e− ORR的选择性至关重要。研究表明，掺氮碳材料能有效地提高其氧的吸附和活化能力，而掺氧碳材料可以改变碳材料表面的电子结构和化学环境，促进反应朝着2e−路径进行。同时，分级多孔结构的构建显著提高了碳材料的导电性、反应部位的暴露和材料转移。在这种背景下，生物质衍生多孔碳材料受到了极大的关注，因为它具有杂原子自掺杂和层状孔隙率的双重优点，使其能够展现出优异的2e− ORR催化性能。

成果介绍

合肥工业大学吕珺教授/沈王强副研究院团队联合海南大学张建教授团队，以黄豆为前驱体，通过热解活化处理，构建了氮、磷、氧共掺杂的多孔碳催化剂（NPODC）。所制备的NPODC-600在0.1 M K2SO4中表现出良好的ORR活性、2e−选择性和高稳定性，在0.2~0.6 V范围内选择性超过80%，最高接近100%。过氧化氢产率高达8089 mg L-1 h-1，法拉第效率达到93.90%。稳定运行25 h后，可产生3.35 wt%的过氧化氢。密度泛函理论(DFT)计算结合衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)结果表明，N、P、O杂原子的共掺杂对提高催化剂2e− ORR性能起着至关重要的作用。该成果以“High-Rate Electrosynthesis of Hydrogen Peroxide in Neutral Electrolytes Enabled by Biomass-Derived Porous Carbon”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、以廉价的生物质黄豆为前驱体，通过磷酸钾热解活化，合成了一种高性能催化剂（NPODC-600）。

2、NPODC-600催化剂在流动池中实现了优异的H2O2产率（8089 mg L-1 h-1）。

3、与NPODC-600集成的固态电解质流动池在连续运行18小时后可提供约7.5 wt%的高浓度H2O2溶液，突出了其现场生产过氧化氢的实际可行性。

本文要点

要点一

催化剂的构筑与结构表征

图1：NPODC的制备和结构表征；（a）合成示意图；（b-d）TEM图像；（e）HR-TEM图像；（f）HAADF-STEM图像和（g-i）NPODC-600的N、P和O元素图谱。

图1a展示了NPODC催化剂的合成流程图，以廉价的生物质黄豆为前驱体，在热解过程中通过磷酸钾的活化作用制得氮、磷、氧共掺杂的多孔碳催化剂（NPODC）。图1b-e通过TEM/HR-TEM/HAADF-STEM表征，证明样品整体上呈现出三维多级结构，由超薄的层状纳米片堆叠而成，形成了丰富的孔隙通道。图1f-i进一步揭示了样品的元素分布情况，表明N、P 和 O 元素在材料中均呈现出均匀分散的特征，表明这些杂原子已成功掺杂进入碳骨架中，从而有望调控电子结构并提升电催化活性。

图2：NPODC-X的结构表征；(a)NPODC-600的氮气吸附和脱附等温线及孔径分布；(b)NPODC-X的X射线衍射谱、(c)拉曼光谱、(d)FTIR和(e)XPS谱；(f)NPODC-600的C 1s、(g)O 1s、(h)N 1s和(i)P 2p XPS谱。

图2展示了NPODC系列催化剂的结构表征结果。NPODC-600具有微孔-介孔-大孔并存的分级多孔结构，比表面积高达449.16 m2 g-1，有利于活性位点暴露和物质传输。XRD和拉曼光谱表明材料为无定形碳骨架，且随热解温度升高结构缺陷增多。FTIR和XPS分析证实氮、磷、氧三种杂原子成功共掺杂进碳骨架，其中吡咯氮、C=O/C-O含氧官能团以及P-C/P-O物种协同作用，共同构筑了富缺陷的碳活性中心，为高效2e- ORR奠定了基础。

要点二

NPODC-600催化剂电化学性能研究

图3：样品的电化学性能和过氧化氢的电合成。(a)氧气饱和的0.1 M K2SO4中的LSV曲线；(b)计算得到的H2O2选择性和n值；(c)计算NPODC-X的塔菲尔斜率；(d)不同电位下的过氧化氢产率和法拉第效率；(e)NPODC-600连续电解100 min的过氧化氢产率和法拉第效率；(f)比较NPODC-600和最近报道的其他催化剂在中性介质中的过氧化氢产率和法拉第效率；(g)长期生产能力测试。

图3显示，NPODC-600在0.1 M K2SO4中表现出良好的ORR活性、2e-选择性和高稳定性，在0.2~0.6V范围内选择性超过80%，最高接近100%。过氧化氢产率高达8089 mg L-1 h-1，法拉第效率达到93.90%。稳定运行25 h后，可产生3.35 wt%的H2O2。

要点三

H2O2生产与实际应用

图4：过氧化氢的生产和应用。 (a) 固态电解槽组装和运行示意图；(b) 不同电池电压下的法拉第效率(FE)和过氧化氢产量；(c) 室外阳光下太阳能驱动的过氧化氢积累(15:30-16:30)；(d) 长期生产能力测试；(e) 降解原理示意图；(f) MB和 (g) Rh B的染料降解性能。

图4进一步把实验室催化性能推进到更接近应用端的层面。图4a-d表明，NPODC-600催化剂具有在固态电解质反应器中生产高浓度纯H2O2的优异能力，仅以去离子水作为反应物和提取介质，在经过18h反应后，即可获得高纯过氧化氢（7.5 wt%）。同时，其在染料降解应用方面同样具有应用潜力（图4e-g），结果显示，溶液颜色分别在540秒和600秒后变为透明，表明催化剂能够快速降解体系中的有机污染物。

要点四

DFT计算结合ATR-FTIR阐述催化机制

图5：2e- ORR机制的原位光谱表征和理论见解。(a) 0.1 M K2SO4和(b) 0.1 M HClO4中NPODC-600的ATR-FTIR光谱；(c) 2e- ORR反应平衡电势下不同体系的标准自由能图；(d)理论极限电势(UL)与*OOH(ΔG*OOH)吸附自由能之间的火山曲线；(e) A1和A9模型之间的电荷密度差异(黄色代表正电荷，青色代表负电荷)；(f) A1和A9模型吸附的*OH物种中C-O键的晶体轨道哈密顿布居(COHP)分析；(g) 积分COHP(ICOHP)和C-O键之间的关系；(h) *OH吸附能、C-O键长和电荷分布之间的关系；(i) A1模型AIMD模拟过程中的温度和能量波动。

图5通过原位ATR-FTIR光谱和DFT计算揭示了NPODC-600催化2e- ORR生成H2O2的反应机制。原位光谱在反应过程中检测到了OOHad中间体和HOOHad物种的特征峰，直接证实反应遵循2e-路径。理论计算进一步表明，N/P/O共掺杂调控的缺陷碳位点对关键中间体*OOH具有适中的吸附强度，既能有效活化O2，又能抑制O-O键断裂，从而在热力学和动力学上优先生成H2O2，实现高选择性的电合成。

本文小结

本文通过一步热解磷酸盐混合物成功地制备了NPODC。结构表征表明，NPODC-600具有层次化的孔结构和丰富的杂原子活性中心，这些都使其在中性电解液中具有优异的2e− ORR性能。理论计算和原位ATR-FTIR结果表明，N、P和O杂原子对电子结构的协同调节显著优化了关键中间体*OOH的吸附行为，确保了优异的2e− ORR选择性和动力学。在模拟大电流合成时，NPODC-600的产率达到8089 mg L-1 h-1，能量利用率为95%。此外，在流动池和固态电解质耦合的连续电解中，最终积累了7.5 wt%的H2O2溶液。更重要的是，以太阳能为能源，可以在短时间内快速合成H2O2。这项工作为开发先进的电催化剂提供了一种可扩展和低成本的方法，为分散、环境友好和节能的阴极氧还原反应合成H2O2提供了一种有前途的解决方案。

作者介绍

第一作者

李洋凯

合肥工业大学材料科学与工程学院硕士研究生，导师沈王强副研究员。主要研究方向为二电子氧还原催化剂的开发与机理研究。硕士期间以第一作者在Carbon Neutralization (IF=12，JCR一区)、Chemical Communications (IF=4.3，JCR二区)发表SCI论文2篇。

通讯作者

沈王强

合肥工业大学材料科学与工程学院副研究员，博士生导师，黄山学者学术骨干。2010.9-2019.7在华中科技大学获理学学士和工学博士学位，2019.7-2021.12在华中科技大学从事博士后研究，2022年1月作为高层次人才引进加入合肥工业大学。主要从事新型富勒烯/金属富勒烯基团簇材料的构筑与应用，面向环境与能源领域的功能纳米催化材料的开发与应用等研究，至今已取得了一系列创新研究成果，受到同行关注。近年以第一/通讯作者（含共同）在国际高水平学术期刊发表论文40余篇（近五年20余篇），包括J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Nat. Commun.（2篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、Adv. Funct. Mater.（3篇）、Nano-Micro Lett.和Nano. Lett.等，参与撰写英文专著章节；申请中国发明专利10余项，授权专利3项，部分研究成果即将实现成果转化。主持国家基金委“原子级制造基础研究”重大研究计划培育项目、国家自然科学基金青年项目、安徽省自然科学基金面上项目和多项企业委托项目，曾获全国博士后创新人才支持计划、英国皇家化学会Chem. Commun.期刊“新锐科学家”（2024年）等荣誉或奖励。受邀在国际国内学术会议作邀请报告10余次，现任国际期刊《Carbon Neutralization》青年编委。

通讯作者

吕 珺

合肥工业大学材料科学与工程学院教授, 博士生导师，安徽省硅酸盐学会副理事长。清华大学与澳大利亚新南威尔士大学访问学者。国家级一流课程负责人，国家级一流本科专业建设点“无机非金属材料工程”专业负责人。主要研究方向：面向环境与能源领域的功能纳米光电催化材料; 高性能无机非金属粉体材料; 先进结构陶瓷材料; 金属材料功能化及强韧化。 在Journal of Hazardous Materials 、ACS Sustainable Chem. Eng、 ChemCatChem、 Phys. Chem. Chem. Phys. 、Applied surface science 、Journal of The Electrochemical Society、New J. Chem 、 无机材料学报、复合材料学报、硅酸盐学报等国内外知名学术期刊上发表高水平学术论文60余篇。授权专利十余项。主持及参加项目26项，其中国家级科研项目10项，省部级科研项目16项，主持国家自然科学基金面上基金，安徽省自然科学基金面上基金，博士后基金以及企业委托项目等多个科研项目。

通讯作者

张 建

海南大学化学化工学院教授，博士生导师。主要从事先进碳纳米材料设计、电催化机制和应用（海水）研究工作。截止目前，以第一作者或通讯作者发表SCI论文50余篇，10余篇入选 ESI 高被引论文。主持国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学青年项目和面上项目2项、博士后科学基金（一等）、博士后国际交流计划（派出）项目、国家重点实验室开放基金等10余项，授权发明专利7项，参与编写本科教材1本。担任多个国际期刊青年编委。

团队优质文献推荐

电催化ORR合成过氧化氢领域

(1) Industrial-Current H2O2 fromWater: P/O-codoped Pentagon-Rich Carbon in Neutral Electrolyte. Adv. Funct. Mater. 2026, e75157.

(2) Porous N, O, S-Doped Carbon from Feathers Drives pH-Universal H2O2 Electroproduction. Adv. Funct. Mater. 2026, 36, e24856.

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(4) Synergistic Single-Atom and Clustered Cobalt Sites on N/S Co-Doped Defect Nano-Carbon for Efficient H2O2 Electrosynthesis. Nano-Micro Letters. 2025, 17, 142.

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期刊介绍

发 展 历 程

2022年7月17日

期刊首刊发布仪式

2023年3月10日

期刊编委会在中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛期间举办

2023年3月11日

高级编委聘任仪式在中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛上举行

2023年5月

被国际知名学术期刊数据库DOAJ收录

2024年3月10日

助力第二届中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛

2024年4月16日

被ESCI数据库收录

2024年9月20日

助力2024纳米材料与器件创新发展大会

2024年11月16日

助力2024世界青年科学家峰会新能源技术论坛

2025年6月18日

获得首个影响因子=12

2025年7月18日

被EI数据库收录

2025年8月16日

被Scopus数据库收录

2025年8月21日

助力2025全省特种电池材料与技术重点实验室正式启动

2025年11月26日

2026年3月24日

入选新锐分区

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自11个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2025年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ数据库收录，入选为中国科技期刊卓越行动计划二期高起点新刊、新锐分区、JCR分区Q1，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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