Als eine der 100 wichtigsten Chemikalien der Welt wird Wasserstoffperoxid (H2O2) hauptsächlich durch das energie- und abfallintensive Verfahren der Anthrachinon-Oxidation (AO) hergestellt. Der Ersatz der AO-Methode durch eine umweltfreundlichere elektrochemische Zwei-Elektronen-Sauerstoffreduktionsreaktion (2e-ORR) hängt von billigen und effizienten Katalysatoren ab.
Allerdings verhält sich der metallfreie Katalysator auf Kohlenstoffbasis als vielversprechender Kandidat nur unter neutralen oder alkalischen Bedingungen ermutigend, wo H2O2 für die Sammlung instabil oder für Verknüpfungsanwendungen, dh die e-Fenton-Reaktion, ungünstig ist. Darüber hinaus bleibt es eine Herausforderung, die wirklich aktiven katalytischen Zentren und den zugrunde liegenden 2e-ORR-Mechanismus zu identifizieren.
In einer Studie veröffentlicht in Chemische Katalyseentwickelte eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Guan Lunhui vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen metallfreien, hocheffizienten sauren 2e-ORR-Katalysator mit nachgewiesener Wasserstoffperoxid-Produktionsrate auf Basis von Pyrimidin- unterstützte Modulation des aktiven Zentrums und S, N-kodotiertes, wenige Schichten aufweisendes Graphen für die Valenzelektronenoptimierung.
Der Katalysator zeigte eine außergewöhnliche Aktivität und Selektivität für 2e-ORR in Säure. Die H2O2-Selektivität erreicht 90 % bis 100 % über einen potenziellen Bereich von 0,20 bis 0,55 V und die maximale H2O2-Produktionsrate (4,8 mol·g-1·h-1) übertrifft alle berichteten H2O2-Produktionsleistungen für Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis.
Experimente und Dichtefunktionaltheorie-Simulationen (beigetragen von Prof. Chai Guoliang) zeigten, dass der Synergieeffekt des kombinierten oxidierten Schwefel- und Pyridin-N-Funktionsmotivs das Fermi-Niveau der elektronischen Valenzzustände aktiver Kantenkohlenstoffstellen senken kann und somit führt zu geeigneter Bindungsstärke von *OOH-Zwischenprodukt für hohe Selektivität und Leistung 2e-ORR für H2O2-Bildung.
Insbesondere beobachteten die Forscher eine offensichtliche Peak-Verschiebung zu hoher Energie der C 1s -Anregung in der randnahen Röntgenabsorptions-Feinstruktur mit S-Einbau, als solider Beweis für die valenzelektronische Optimierung der Kohlenstoffkatalysatoroberfläche.
Darüber hinaus kann es in Verbindung mit der Fenton-Reaktion für einen Elektron-Fenton-Prozess einen organischen Modellschadstoff (Methylenblau) abbauen [MB]50 ppm) in kurzer Zeit von 15 min zu farblos.
Diese Studie schafft nicht nur einen effizienten kohlenstoffbasierten Katalysator für die H2O2-Produktion in Säure, sondern bietet auch einen nützlichen Weg zur Optimierung elektronischer Eigenschaften für die zukünftige Abstimmung von Katalysatoren aus kohlenstoffbasierten Materialien.
Jiaoxing Xu et al, Pyrimidin-unterstützte Synthese von S, N-kodotiertem Graphen mit wenigen Schichten für die hocheffiziente Produktion von Wasserstoffperoxid in Säure, Chemische Katalyse (2022). DOI: 10.1016/j.checat.2022.04.011