香港城市大学支春义教授团队Angew：调节石墨炔中的sp碳含量实现高效双氧水电合成

与仅由sp²杂化碳组成的石墨烯相比，石墨炔（GDYs）由于其具有富电子（轨道）的高能炔键而具有更强的催化反应活性。这一特性使得GDYs在电催化过程中可能更加高效。以O₂的电催化氢化过程为例，GDY中的sp-碳原子拥有富π电子，在作为电子供体时，比sp²-碳原子具有更高的给电子能力，因此能够有效地将电子注入O₂分子的LUMO，从而启动后续的O₂氢化过程。

近日，香港城市大学支春义教授（点击查看介绍）团队通过调节不同有机单体前体的sp-to-sp² 碳比率成功地调节了GDY的氧还原合成双氧水的电催化活性。由于活性sp-碳原子拥有电子充足的π轨道，可以将电子提供给O₂分子的最低未占分子轨道（LUMO）并引发随后的2电子O₂还原（2eORR），使得sp-碳含量为50 at% GDY表现出优异的2eORR能力。其H₂O₂选择性可达95.0 %和优异的实际H₂O₂合成性能，法拉第效率 (FE) 超过 99.0 %，产量为 83.3 nmol s^–1 cm^–2。该工作发表在化学类顶刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

图1. O₂、-C≡C-、-C=C-的电子轨道分析。

本文的亮点在于：

1、创新性调节：首次通过调节GDY中sp-碳含量来增强其电催化2电子氧还原制过氧化氢的性能，为GDY的合成和应用提供了新思路。

2、高选择性：GDY-50展现出超过95.0%的H₂O₂选择性，远高于其他GDY样品，表明其在2eORR反应中的高效性和选择性。

3、优异的规模化H₂O₂电合成：在采用H型电解池对H₂O₂进行规模化合成中，GDY-50的法拉第效率超过99.0%，意味着其在电催化过程中的能量转换效率极高，产量达到83.3 nmol s^–1 cm^–2，显示出其在实际应用中的巨大潜力

4、优异的稳定性：GDY-50在长期测试中显示出优异的稳定性，证明了其作为工业催化剂的可靠性和应用潜力。

图2. GDY的合成策略示意图。

图3. GDY的结构和形貌表征。

图4. GDY催化性能的理论分析。

图5. GDY的2eORR性能表征。

图6. GDY催化剂在规模化H₂O₂合成中的应用测试。

结论与展望

本文通过 Glaser 偶联反应改变其sp-to-sp² 碳比率，成功地调节了GDY的电催化活性。GDY-50具有最高的sp-碳含量，具有优异的催化2eORR活性，H₂O₂选择性超过95.0%，同时具有出色的稳定性和大规模生产H₂O₂的能力。该方法代表了GDY合成的重大进展，并突出了其在催化和其他领域的研究和应用的巨大潜力。

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）：

Steering sp-Carbon Content in Graphdiynes for Enhanced Two-Electron Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide

Ying Guo, Rong Zhang, Shaoce Zhang, Hu Hong, Pei Li, Yuwei Zhao, Zhaodong Huang, Chunyi Zhi

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202401501

导师介绍

支春义

https://www.x-mol.com/university/faculty/35062