电化学二电子氧还原制备过氧化氢研究进展

文兆宇 韩娜 李彦光

引用本文: 文兆宇, 韩娜, 李彦光. 电化学二电子氧还原制备过氧化氢研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(2): 230400. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304001 shu
Citation:  Zhaoyu Wen, Na Han, Yanguang Li. Recent Progress towards the Production of H2O2 by Electrochemical Two-Electron Oxygen Reduction Reaction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(2): 230400. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304001 shu

电化学二电子氧还原制备过氧化氢研究进展

    通讯作者: 韩娜, hanna@suda.edu.cn; 李彦光, yanguang@suda.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 U2002213

    国家自然科学基金 52161160331

    国家自然科学基金 2227090515

摘要: 利用电化学二电子氧还原(2e Oxygen Reduction Reaction,2e ORR)方法实现过氧化氢(H2O2)的分散式制备,被认为是具有广阔发展前景的技术之一。为实现高的氧还原活性和理想的H2O2选择性,设计高性能2e ORR电催化剂是该技术的核心关键。尽管现阶段发展的2e ORR催化剂已经取得了显著进展,但距离规模化应用仍存在很大的差距。基于此,本文综述了电化学二电子氧还原制备H2O2的最新研究进展,首先简要介绍了反应机理和评价方法,并根据机理分析了影响电催化性能的关键因素。随后围绕贵金属催化剂、碳基催化剂、单原子及分子催化剂的最新研究进展,阐述了提升催化剂活性与H2O2选择性的主要策略。最后,针对电化学二电子氧还原制备H2O2体系面临的关键问题和挑战,对该领域未来的发展趋势进行了展望。

English

    1. [1]

      Xia, C.; Xia, Y.; Zhu, P.; Fan, L.; Wang, H. Science 2019, 366, 226. doi: 10.1126/science.aay1844

    2. [2]

      Ciriminna, R.; Albanese, L.; Meneguzzo, F.; Pagliaro, M. ChemSusChem 2016, 9, 3374. doi: 10.1002/cssc.201600895

    3. [3]

      Perry, S. C.; Pangotra, D.; Vieira, L.; Csepei, L.-I.; Sieber, V.; Wang, L.; Ponce de León, C.; Walsh, F. C. Nat. Rev. Chem. 2019, 3, 442. doi: 10.1038/s41570-019-0110-6

    4. [4]

      He, Q.; Viengkeo, B.; Zhao, X.; Qin, Z.; Zhang, J.; Yu, X.; Hu, Y.; Huang, W.; Li, Y. Nano Res. 2021, doi: 10.1007/s12274-021-3882-1

    5. [5]

      Yu, X.; Viengkeo, B.; He, Q.; Zhao, X.; Huang, Q.; Li, P.; Huang, W.; Li, Y. Adv. Sustain. Syst. 2021, 5, 2100184. doi: 10.1002/adsu.202100184

    6. [6]

      Campos-Martin, J. M.; Blanco-Brieva, G.; Fierro, J. L. G. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 6962. doi: 10.1002/anie.200503779

    7. [7]

      Samanta, C. Appl. Catal. A-Gen 2008, 350, 133. doi: 10.1016/j.apcata.2008.07.043

    8. [8]

      Wang, N.; Ma, S.; Zuo, P.; Duan, J.; Hou, B. Adv. Sci. 2021, 8, 2100076. doi: 10.1002/advs.202100076

    9. [9]

      Berl, E. Trans. Electrochem. Soc. 1939, 76, 359. doi: 10.1149/1.3500291

    10. [10]

      Foller, P.; Bombard, R. J. Appl. Electrochem. 1995, 25, 613. doi: 10.1007/BF00241923

    11. [11]

      Brillas, E.; Sirés, I.; Oturan, M. A. Chem. Rev. 2009, 109, 6570. doi: 10.1021/cr900136g

    12. [12]

      Jiang, K.; Zhao, J.; Wang, H. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2003321. doi: 10.1002/adfm.202003321

    13. [13]

      Siahrostami, S.; Verdaguer-Casadevall, A.; Karamad, M.; Deiana, D.; Malacrida, P.; Wickman, B.; Escudero-Escribano, M.; Paoli, E. A.; Frydendal, R.; Hansen, T. W. Nat. Mater. 2013, 12, 1137. doi: 10.1038/nmat3795

    14. [14]

      Zhang, J.; Zhang, H.; Cheng, M. J.; Lu, Q. Small 2020, 16, 1902845. doi: 10.1002/smll.201902845

    15. [15]

      Kulkarni, A.; Siahrostami, S.; Patel, A.; Nørskov, J. K. Chem. Rev. 2018, 118, 2302. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00488

    16. [16]

      Tang, J.; Zhao, T.; Solanki, D.; Miao, X.; Zhou, W.; Hu, S. Joule 2021, 5, 1432. doi: 10.1016/j.joule.2021.04.012

    17. [17]

      Clavilier, J.; Armand, D.; Sun, S.; Petit, M. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1986, 205, 267. doi: 10.1016/0022-0728(86)90237-8

    18. [18]

      Zhao, X.; Liu, Y. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 9423. doi: 10.1021/jacs.1c02186

    19. [19]

      Yang, S.; Verdaguer-Casadevall, A.; Arnarson, L.; Silvioli, L.; Čolić, V.; Frydendal, R.; Rossmeisl, J.; Chorkendorff, I.; Stephens, I. E. L. ACS Catal. 2018, 8, 4064. doi: 10.1021/acscatal.8b00217

    20. [20]

      Chang, Q.; Zhang, P.; Mostaghimi, A. H. B.; Zhao, X.; Denny, S. R.; Lee, J. H.; Gao, H.; Zhang, Y.; Xin, H. L.; Siahrostami, S. Nat. Commun. 2020, 11, 1. doi: 10.1038/s41467-020-15843-3

    21. [21]

      Choi, C. H.; Kwon, H. C.; Yook, S.; Shin, H.; Kim, H.; Choi, M. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 30063. doi: 10.1021/jp5113894

    22. [22]

      Chen, G.; Liu, J.; Li, Q.; Guan, P.; Yu, X.; Xing, L.; Zhang, J.; Che, R. Nano Res. 2019, 12, 2614. doi: 10.1007/s12274-019-2496-3

    23. [23]

      Lim, J. S.; Kim, J. H.; Woo, J.; Baek, D. S.; Ihm, K.; Shin, T. J.; Sa, Y. J.; Joo, S. H. Chem 2021, 7, 3114. doi: 10.1016/j.chempr.2021.08.007

    24. [24]

      Chen, S.; Luo, T.; Chen, K.; Lin, Y.; Fu, J.; Liu, K.; Cai, C.; Wang, Q.; Li, H.; Li, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 133, 16743. doi: 10.1002/anie.202104480

    25. [25]

      Chen, S.; Luo, T.; Li, X.; Chen, K.; Fu, J.; Liu, K.; Cai, C.; Wang, Q.; Li, H.; Chen, Y.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 14505. doi: 10.1021/jacs.2c01194

    26. [26]

      Xiao, C.; Cheng, L.; Zhu, Y.; Wang, G.; Chen, L.; Wang, Y.; Chen, R.; Li, Y.; Li, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202206544. doi: 10.1002/anie.202206544

    27. [27]

      Jiang, K.; Back, S.; Akey, A. J.; Xia, C.; Hu, Y.; Liang, W.; Schaak, D.; Stavitski, E.; Nørskov, J. K.; Siahrostami, S. Nat. Commun. 2019, 10, 1. doi: 10.1038/s41467-019-11992-2

    28. [28]

      Adžić, R. R.; Tripković, A. V.; Marković, N. M. J. Electroanal. Chem. 1983, 150, 79. doi: 10.1016/S0022-0728(83)80192-2

    29. [29]

      Wang, Y. L.; Gurses, S.; Felvey, N.; Boubnov, A.; Mao, S. S.; Kronawitter, C. X. ACS Catal. 2019, 9, 8453. doi: 10.1021/acscatal.9b01758

    30. [30]

      Jirkovský, J. S.; Halasa, M.; Schiffrin, D. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 8042. doi: 10.1039/C002416C

    31. [31]

      Fortunato, G. V.; Pizzutilo, E.; Mingers, A. M.; Kasian, O.; Cherevko, S.; Cardoso, E. S.; Mayrhofer, K. J.; Maia, G.; Ledendecker, M. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 15878. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b04262

    32. [32]

      Zhao, X.; Yang, H.; Xu, J.; Cheng, T.; Li, Y. ACS Mater. Lett. 2021, 3, 996. doi: 10.1021/acsmaterialslett.1c00263

    33. [33]

      Fortunato, G. V.; Bezerra, L. S.; Cardoso, E. S. F.; Kronka, M. S.; Santos, A. J.; Greco, A. S.; Júnior, J. L. R.; Lanza, M. R. V.; Maia, G. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 6777. doi: 10.1021/acsami.1c22362

    34. [34]

      Kim, H. W.; Ross, M. B.; Kornienko, N.; Zhang, L.; Guo, J.; Yang, P.; McCloskey, B. D. Nat. Catal. 2018, 1, 282. doi: 10.1038/s41929-018-0044-2

    35. [35]

      Bu, Y.; Wang, Y.; Han, G.; Zhao, Y.; Ge, X.; Li, F.; Zhang, Z.; Zhong, Q.; Baek, J. Adv. Mater. 2021, 33, 2103266. doi: 10.1002/adma.202103266

    36. [36]

      Chen, S.; Chen, Z.; Siahrostami, S.; Kim, T. R.; Nordlund, D.; Sokaras, D.; Nowak, S.; To, J. W.; Higgins, D.; Sinclair, R. ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 311. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b02517

    37. [37]

      Sun, Y.; Sinev, I.; Ju, W.; Bergmann, A.; Dresp, S.; Kühl, S.; Spöri, C.; Schmies, H.; Wang, H.; Bernsmeier, D.; et al. ACS Catal. 2018, 8, 2844. doi: 10.1021/acscatal.7b03464

    38. [38]

      Xia, Y.; Zhao, X.; Xia, C.; Wu, Z.-Y.; Zhu, P.; Kim, J. Y. T.; Bai, X.; Gao, G.; Hu, Y.; Zhong, J. Nat. Commun. 2021, 12, 1. doi: 10.1038/s41467-021-24329-9

    39. [39]

      Wu, K.-H.; Wang, D.; Lu, X.; Zhang, X.; Xie, Z.; Liu, Y.; Su, B.-J.; Chen, J.-M.; Su, D.-S.; Qi, W. Chem 2020, 6, 1443. doi: 10.1016/j.chempr.2020.04.002

    40. [40]

      Han, L.; Sun, Y.; Li, S.; Cheng, C.; Halbig, C. E.; Feicht, P.; Hübner, J. L.; Strasser, P.; Eigler, S. ACS Catal. 2019, 9, 1283. doi: 10.1021/acscatal.8b03734

    41. [41]

      Lu, Z.; Chen, G.; Siahrostami, S.; Chen, Z.; Liu, K.; Xie, J.; Liao, L.; Wu, T.; Lin, D.; Liu, Y.; et al. Nat. Catal. 2018, 1, 156. doi: 10.1038/s41929-017-0017-x

    42. [42]

      Gao, J.; Liu, B. ACS Mater. Lett. 2020, 2, 1008. doi: 10.1021/acsmaterialslett.0c00189

    43. [43]

      Yang, S.; Kim, J.; Tak, Y. J.; Soon, A.; Lee, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 2058. doi: 10.1002/anie.201509241

    44. [44]

      Shen, R.; Chen, W.; Peng, Q.; Lu, S.; Zheng, L.; Cao, X.; Wang, Y.; Zhu, W.; Zhang, J.; Zhuang, Z.; et al. Chem 2019, 5, 2099. doi: 10.1016/j.chempr.2019.04.024

    45. [45]

      Sun, Y.; Silvioli, L.; Sahraie, N. R.; Ju, W.; Li, J.; Zitolo, A.; Li, S.; Bagger, A.; Arnarson, L.; Wang, X.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 12372. doi: 10.1021/jacs.9b05576

    46. [46]

      Lee, B.-H.; Shin, H.; Rasouli, A. S.; Choubisa, H.; Ou, P.; Dorakhan, R.; Grigioni, I.; Lee, G.; Shirzadi, E.; Miao, R. K.; et al. Nat. Catal. 2023, 6, 234. doi: 10.1038/s41929-023-00924-5

    47. [47]

      Zhao, X.; Yin, Q.; Mao, X.; Cheng, C.; Zhang, L.; Wang, L.; Liu, T.-F.; Li, Y.; Li, Y. Nat. Commun. 2022, 13, 2721. doi: 10.1038/s41467-022-30523-0

    48. [48]

      Smith, P. T.; Kim, Y.; Benke, B. P.; Kim, K.; Chang, C. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 4932. doi: 10.1002/anie.201916131

    49. [49]

      Wang, Y.-L.; Li, S.-S.; Yang, X.-H.; Xu, G.-Y.; Zhu, Z.-C.; Chen, P.; Li, S.-Q. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 21329. doi: 10.1039/C9TA04788C

    50. [50]

      Wang, W.; Hu, Y.; Liu, Y.; Zheng, Z.; Chen, S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 31855. doi: 10.1021/acsami.8b11703

    51. [51]

      Ko, M.; Kim, Y.; Woo, J.; Lee, B.; Mehrotra, R.; Sharma, P.; Kim, J.; Hwang, S. W.; Jeong, H. Y.; Lim, H. Nat. Catal. 2022, 5, 37. doi: 10.1038/s41929-021-00724-9

    52. [52]

      王磊, 尹寒梅, 王健豪, 吴立志, 刘月明. 物理化学学报, 2016, 32, 2574. doi: 10.3866/PKU.WHXB201606294Wang, L.; Yin, H, M.; Wang, J, H.; Wu, L, Z.; Liu, Y, M.; Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 2574. doi: 10.3866/PKU.WHXB201606294

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  5
  • 文章访问数:  368
  • HTML全文浏览量:  100
文章相关
  • 发布日期:  2024-02-15
  • 收稿日期:  2023-04-03
  • 接受日期:  2023-05-17
  • 修回日期:  2023-05-16
  • 网络出版日期:  2023-05-29
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章