近年来，随着“绿色化学品”双氧水在医疗、环保、化工等行业的广泛应用，全球双氧水的市场需求保持持续增长势头。通过电化学法直接利用O2合成H2O2是目前最具潜力的替代工业上高耗能的蒽醌氧化/还原法的方法。因此，开发高效且低成本的电催化剂用于催化氧气还原制备双氧水具有重要的应用价值。
近日，山东科技大学张国新教授与盐城师范学院常营娜博士在Science China Materials上发表题为“Oxygenated boron-doped carbon via polymer dehalogenation as an electrocatalyst for high-efficiency O2reduction to H2O2”的文章（DOI：10.1007/s40843-021-1891-2）。该工作开发了一种廉价、简单且绿色的方法制备了一种B掺杂碳材料，并研究了其电催化合成H2O2的性能。硼元素相比于碳（2.55）而言具有较低的电负性（2.04）。当B原子与C原子相邻时带正电，这有利于O2分子的化学吸附。该氧硼掺杂碳材料的合成过程为：以聚氯乙烯为碳源、KOH为脱卤剂、硼酸为掺杂源，通过有机脱卤策略实现材料合成。通过改变硼酸的比例以及焙烧温度，调控硼掺杂碳的组分及形貌结构，获得优化材料的合成参数和最优的H2O2选择性。
电化学测试表明: 最佳的O-BC-2-650样品表现出高达98%的H2O2选择性; 在H型碱性电解槽中H2O2平均产率为412.8 mmol gcat.−1h−1。密度泛函理论计算模拟表明: 在碳基体中插入B-O物种可以显著提高其通过2e−氧化还原反应（ORR）电化学合成H2O2的催化性能，并且BC2O结构中的B原子表现为最活跃的位点，在吸附O2的氢化过程中获得最低的吉布斯自由能差（ΔG）0.03 eV；而没有与氧原子相连或者与两个氧原子相连的B原子则具有较大的ΔG（分别为0.08和0.10 eV）。综上，将含氧B元素引入碳骨架，有效地促进了材料的O2电化学合成H2O2的性能。
图1. （A）高量硼掺杂碳的合成示意图，（B）O-BC-2-650的SEM图，（C）O-BC-2-650的HRTEM图，（E）O-BC-2-650中硼、碳和氧的元素能谱图像。
图2. 高量硼掺杂碳的结构分析。（A）XPS全谱图，（B）C1s谱，（C）O1s谱，以及（D）B1s图。
图3. 高量硼掺杂碳的电催化氧气还原制双氧水的性能测试。（A）在5 mV s-1扫速和转速1600 rmp下的LSV曲线，（B）电子转移数（n），（C）样品的H2O2%产率，以及（D）不同样品在0.55 V下H2O2选择性和电子转移数比较，显示电化学活性和选择性与B含量之间的关系。
图4. 高量硼掺杂碳的电催化氧气还原制双氧水的反应机理研究。(A)对不同的硼掺杂类型进行了研究，用红色圆圈表示的碳原子或硼原子是正在研究的活性位点。(B)在 UO2/ H2O2= 0.70 V的平衡电位下，不同活性位点反应坐标对应的自由能，(C) 计算的通过2e-ORR产生 H2O2的催化活性火山，其极限电位绘制为ΔGOOH*的函数。
这项研究为电催化合成H2O2提供了一种有前景、高性能、低成本电催化剂，突显了含氧B掺杂碳催化剂在实际应用中的可行性，也为先进无金属掺杂碳催化剂的设计及应用提供了新思路。
论文第一作者为盐城师范学院新能源化学储能与动力电源研究院常营娜博士，通讯作者为山东科技大学王亚群副教授和张国新教授。该研究得到了国家自然科学基金资助。