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?【DFT+實(shí)驗】AFM：CB@Co-N-C助力H2O2合成和微生物燃料電池

氮摻雜碳材料中分離的單金屬原子（M-N-C）是通過2-電子或4-電子過程產(chǎn)生H₂O₂或H₂O的氧還原反應(yīng)（ORR）的有效電催化劑，但是大多數(shù)M-N-C催化劑僅對一種產(chǎn)物表現(xiàn)出高選擇性，并且選擇性通常由復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計來調(diào)節(jié)。

基于此，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張耕教授和曹菲菲教授等人報道了一種由炭黑負(fù)載的Co-N-C催化劑（CB@Co-N-C）。在具有氣體擴(kuò)散電極的流動池中，H₂O₂的產(chǎn)生速率為5.04 mol h^?1 g^?1，同時在電解質(zhì)循環(huán)和非循環(huán)模式下，該催化劑表現(xiàn)出200 h的長期H₂O₂產(chǎn)生。

通過DFT計算多孔納米材料的HOMO和LUMO軌道，作者研究了金屬離子的引入對電荷分布的影響。對于HOFs，HOMO主要位于芘核的中心，LUMO均勻分布在H₄TBAPy上。HOFs@Fe³⁺在引入Fe³⁺后，LUMO主要分布在Fe³⁺上，有效地抑制了光生載流子的絡(luò)合。

對于HOFs@Cu²⁺，觀察到HOMO和LUMO之間的部分重疊，可能導(dǎo)致部分光生載流子的絡(luò)合。結(jié)果表明，通過錨定Fe³⁺有效地解決了HOFs光生載流子遷移能力差的問題，從而提高了納米材料的整體光催化活性。

基于分子軌道理論，作者提出了一種可能的HOFs@Fe³⁺吸附和光降解機(jī)制。當(dāng)HOFs@Fe³⁺被放入含有BPA的水中時，BPA通過氫鍵和π-π堆積相互作用快速選擇性地吸附在催化劑表面。

然后，HOFs@Fe³⁺在可見光照射下產(chǎn)生光生電子和空穴，并且電子從HOMO跳到LUMO。由于Fe³⁺的可變價態(tài)，電子進(jìn)一步快速轉(zhuǎn)移到金屬離子上，而h⁺保留在HOFs的HOMO能級中。

此外，積聚在催化劑表面的金屬離子上的電子也可以被吸附的H⁺捕獲以產(chǎn)生H₂。?O₂^–可與h⁺反應(yīng)形成¹O₂，在?O₂^–和¹O₂的共同作用下，吸附在催化劑上的富集BPA被有效降解。

Carbon Black-Supported Single-Atom Co-N-C as an Efficient Oxygen Reduction Electrocatalyst for H₂O₂ Production in Acidic Media and Microbial Fuel Cell in Neutral Media. Adv. Funct. Mater., 2023.

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