《Small》：硼掺杂镍纳米颗粒诱导晶格应变用于高效电化学合成过氧化氢

Lattice Strained B-doped Ni Nanoparticles for Efficient Electrochemical H₂O₂ Synthesis

Hui Fu, Nan Zhang*, Feili Lai, Longsheng Zhang, Zhenzhong Wu, Hanjun Li, Haiyan Zhu, Tianxi Liu*

Small 2022, DOI: 10.1002/smll.202203510

过氧化氢（H₂O₂）是一种多功能、环保的氧化剂，在废水处理、化学合成、纸浆和纺织漂白、能源载体、消毒剂等多个领域具有重要意义。在工业上，H₂O₂主要通过蒽醌法和直接合成法制备。但是，蒽醌法涉及到能源密集型的蒸馏，危险废物和不稳定的大量H₂O₂溶液；直接合成法需要用惰性气体稀释高纯度的H₂和O₂以防止爆炸，导致其选择性和产率较低。而电催化氧还原反应（ORR）可有效解决蒽醌法和直接合成法的不安全及环境污染等问题，但是ORR中四电子路径的缓慢动力学和竞争反应严重影响H₂O₂的选择性和产率。相关研究表明，优化O₂吸附能及保护O-O键是生成H₂O₂的关键。应力调控是一种优化催化剂电子结构并调控反应过程的有效方法，有望实现两电子ORR制备H₂O₂，但目前通过应力调控制备H₂O₂的报道较少。

基于此，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组提出了通过B掺杂Ni纳米颗粒诱导产生拉伸应力的新策略，开发了B/N共掺杂C为载体的一类新型催化剂（Ni-B@BNC），实现了高效电催化ORR产H₂O₂。具有拉伸应力的Ni-B@BNC对电催化ORR产H₂O₂的性能随着应力强度的变化呈火山型趋势。其中，Ni₄-B₁@BNC对H₂O₂的选择性达到了86%，产率为128.5 mmol h^-1 g^-1，在0.6 V_RHE时的H₂O₂的法拉第效率高达94.6%，且具有良好的稳定性能。理论计算表明，掺杂B到Ni纳米颗粒诱导产生的拉伸应力，降低了Ni-3d轨道的态密度并优化了两电子ORR的OOH*的结合能。该研究为设计和开发电催化ORR制备H₂O₂的高效催化剂提供了新思路。

本论文第一作者为2020级博士研究生付慧，通讯作者为张楠副教授和刘天西教授。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202203510

Ni-B@BNC用于高效电化学制备H₂O₂的示意图