我校材料科学与工程学院遇鑫遥教授课题组与河北工业大学冯怡副教授合作，针对碳基催化剂在酸性条件下电催化合成过氧化氢活性和选择性差的问题，通过电子结构和孔结构协同调控的策略，有效提升了碳基催化剂在酸性条件下电合成过氧化氢的性能。相关研究成果以“Synergistic Electronic and Pore Structure Modulation in Open Carbon Nanocages Enabling Efficient Electrocatalytic Production of H2O2 in Acidic Medium”为题发表在国际材料领域知名期刊《Advanced Functional Materials》。安徽大学物质科学与信息技术研究院2019级硕士研究生王燕和讲师周奕彤博士为论文的共同第一作者，遇鑫遥教授和河北工业大学冯怡副教授为论文的共同通讯作者，安徽大学为第一通讯单位。

过氧化氢(H2O2)是一种具有高附加值的重要化学品，被列为全球一百种最重要的化学物质之一。目前，约99%的H2O2的工业生产主要依赖工艺流程繁琐、能耗高的蒽醌法。该方法排放大量二氧化碳，且制备的H2O2浓度较高(70%)，难以直接使用，严重增加了操作过程中的风险以及运输成本。基于两电子的氧气还原反应(ORR)为原位绿色合成H2O2提供了一条有效的途径，实现H2O2现制现用，具有安全便携、绿色环保的特点。然而，该方法存在两大问题：ORR的动力学极为缓慢，导致电合成H2O2的能量效率极低; ORR通常更倾向于经历四电子过程生成水，这使电合成H2O2的选择性差。研究人员开发了多种电催化剂用于电合成H2O2。目前报道的性能最佳的H2O2合成电催化剂是贵金属及其合金。但贵金属基电催化剂价格昂贵、资源匮乏，严重阻碍了其大规模应用。碳基材料因具有储量丰富、导电性高、结构可调性大等特点，被认为是电催化合成H2O2最有前景的贵金属替代催化剂。然而，目前报道的大部分碳基催化剂在碱性条件下性能优异，但在酸性条件下活性和选择性都较差。H2O2在碱性环境中容易进一步分解为水，在酸性条件下H2O2的氧化能力会大大优于碱性条件下。目前，仍然匮乏酸性条件下具有优异活性和选择性的碳基H2O2合成电催化剂。

研究团队首先通过理论计算预测在碳材料表面引入C-O-C含氧基团和内嵌钴纳米颗粒能够协同调控碳材料的电子结构，优化碳材料对含氧中间体的吸附，使其对两电子ORR具有更高的活性和选择性(图1)。在理论计算的指导下，研究团队通过模板法制备了具有高比表面积、开放空腔、内嵌钴纳米颗粒的碳纳米笼(图2)。研究发现，在合成过程中的煅烧温度能够有效调控碳纳米笼的电子结构和孔结构，在煅烧温度为700 oC下制备的碳纳米笼(P-Co@C-700)在酸性条件下具有最高的活性和选择性(高达94%)。该碳纳米笼具有超大的比表面积(1351 m2 g1)和介孔结构，有利于氧气/H2O2的传质和暴露更多的活性位点。丰富的C-O-C基团和优化的钴纳米颗粒含量，有助于优化含氧中间体的吸附。同时，研究团队以罗丹明B为模拟物，验证了合成的过氧化氢原位降解有机污染物的可行性。该项研究为设计和制备酸性条件下具有优异过氧化氢合成性能的电催化剂提供了新的思路。

图1 理论预测碳材料表面含氧基团和内嵌钴纳米颗粒对H2O2电合成的影响

图2 P-Co@C-700碳纳米笼的结构和电催化性能表征