高分子科技重点报道本课题组最新科技成果：“华南理工刘德桃、澳门大学潘晖 Small：利用钴配位一维纳米纤维素制备高活性2e-ORR催化剂 →用于高效率H₂O₂电化学合成”

通过设计研制可持续生物质碳基，作为2e-ORR催化材料阴极用于电化学法合成H2O2具有非常诱人的发展优势和研究价值，并在高级氧化技术及消毒领域具有重要的应用前景。近些年来已取得了诸多的研究进展，但仍受限于材料反应活性低、选择性差等瓶颈。近日，华南理工大学刘德桃课题组和澳门大学潘晖课题组在期刊《Small》上，在线发表了最新科技成果“Scalable Cathodic H2O2 Electrosynthesis using Cobalt-Coordinated Nanocellulose Electrocatalyst”，华南理工大学轻工科学与工程学院刘德桃老师为论文的通讯作者，硕士生钱志云为论文第一作者，与澳门大学潘晖教授团队共同合作，依靠纳米纤维素构建具有高孔隙率、高比表面积及具有适用配位含氧官能团的三维气凝胶结构优势，通过在一维纳米纤维素表面特殊的金属离子配位和冷冻干燥技术制备具有结构稳定的ZIFs-纳米纤维素泡沫体，并经碳化等工序产生丰富的氧气捕获活性位点，并形成有利于提升电子迁移效率的纳米复合Co3O4结构，以提高电合成H2O2的生成效率。

通过优化设计制备气体扩散电极，发现其H2O2合成产率能够达到510.58 mg·L-1·cm-2·h-1，是目前其他生物质碳基催化材料10～250倍，同时多倍于传统化石碳基催化剂。通过设计构筑协同增效的双阴极电芬顿技术装置，可以高效率分解常规有机污染物（30分钟内去除率高达99.43%）。同时经技术扩展及试验验证表明：该关键核心技术还具有对其他废水如养殖废水、SPA废水、涂料废水、造纸废水及洗衣机免洗衣服洗衣等高效快速除污净污具有非常广阔的应用前景，并能有望替代现用化学消毒片技术在军民两用野外便携式净水消毒及健康饮水具有重要的应用潜力。

图1 催化剂结构及H2O2生产性能

基于Co3O4的（311）晶面进行密度泛函理论（DFT）计算发现，Co3O4由2个CoO4四面体和6个CoO6八面体组成，CoO4四面体结构中由于氧原子的缺失而存在氧空位，这些氧空位在费米能级附近通过杂化轨道诱导新的电子态出现，从而促进O2的快速电子转移和活化，使得*OOH的结合能降低，有利于*OOH的质子化并促进H2O2合成。

通过钴配位1D纳米纤维素(CNF)中富含-OH、-COOH基团，便于ZIF-67纳米颗粒的原位生长，我们获得了一种高性能的Co-CNF电催化剂，它具有极高的H2O2产率，并且在室温下具有良好的操作稳定性。Co-CNF电催化剂中大量的氧捕获活性位点的生成有利于纳米结构的Co3O4与CNF基生物炭的快速电子转移效率。ZIF-67纳米纤维素中微孔-介孔碳结构和无定形碳在900℃热解下形成杂化碳缺陷，电子输运遵循快速氧空位迁移机制。Co-CNF电催化剂具有简单且具有成本效益的合成工艺，可批量操作，安全，可持续性，轻量化，适用于可扩展的H2O2电合成。该Co-CNF电催化剂还可以作为一种有效的阴极材料，与辅助SSM结合分解有机污染物，使其与普通有机污染物的快速分解效率相兼容。这种设计策略的成功创造了一类生物质衍生的2e-ORR电催化剂，通过使用不同的气体作为输入空气或O2气体来实现H2O2的快速生产，这是迄今为止传统生物质衍生电解质所面临的挑战。该战略为许多其他高性能生物质电催化剂的开发提供了材料和概念上的突破，这些电催化剂可能具有广泛的影响，而不仅仅是具有成本效益的2e - ORR电催化剂。

图2 气体扩散电极H2O2生产性能与应用

课题组简介：

华南理工大学刘德桃课题组的研究致力于发现和探索自然界生物质树木等生长过程中独特的自然现象及物质转化机制，开展纤维素绿色可溶性制备及塑性加工策略及其功能结构调控，设计和开发低碳绿色的环境友好材料及绿色能源催化材料的关键理论与制备技术，并推动其在一些关键领域的应用与推广，鼓励以更健康、更清洁、更低碳的技术路径积极应对现代工业、生活中的科技挑战。目前已在国际期刊杂志Advanced Science, Small, Nano Energy, Energy & Environmental Science, Advanced Materials等发表高质量论文78篇，论文引用近2000次，H-Index 23；申请国家发明专利约50件（已授权近30件）及美国PCT授权专利，主持国家、省部级及企业技术开发项目近30项，有多项成果获得批量生产与应用。与浙江大学、华中科技大学、南方科技大学、美国马里兰大学、美国东北大学、澳门大学等境外高水平大学开展联合研究。社会学术兼职或荣誉主要包括：荣获IAAM杰出科学家奖、广东省首批“特支计划”科技创新青年拔尖人才（新材料领域）等，指导学生参加“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛省赛(特等奖)等及其参与的作品荣获中国“互联网+”大学生创新创业大赛决赛(铜奖)、中国“互联网+”大学生创新创业大赛广东省分赛高教主赛道决赛(金奖)等奖项。

论文信息：

Scalable Cathodic H2O2 Electrosynthesis using Cobalt-Coordinated Nanocellulose Electrocatalyst， Zhiyun Qian, Di Liu, Detao Liu, Yao Luo, Wenhao Ji, Yan Wang, Yonghao Chen, Rui Hu, Hui Pan, Peilin Wu, Yulong Duan

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202403947