Efficient H2O2 Electrosynthesis via Strategic Regulation of Sulfur Coordination in Single-atom Catalysts, Chemical Engineering Journal 521, 166571(2025)
透過策略性調控單原子催化劑中硫的配位實現高效電合成過氧化氫
Song-Chi Chen, Shih-Wei Lin, Shao-Lun Chang, Ying-Rui Lu*(盧英睿), Chih-Jung Chen*(陳致融)
2025/11/24
過氧化氫在化學合成、紙漿漂白與污水處理等多個產業中為不可或缺的角色，全球市場預計將在2027年達到約79億美元的規模。目前主流的Riedl-Pfleiderer製程需依賴貴金屬鈀催化劑，此方法不僅產生大量有機廢棄物，也具有相當高的碳排放。本研究利用綠電驅動電化學氧還原反應（ORR），為過氧化氫的製備提供了新的永續途徑。常見的鈷單原子催化劑（Co-SACs）具有四個氮配位的活性位點結構，通常對反應中間產物具有過強的吸附能力，因而限制了過氧化氫的選擇性。本研究探討將小麥麵粉轉化為鈷單原子催化劑的載體，並藉由在配位環境中引入硫元素，顯著影響ORR的反應路徑。透過調控高溫裂解的溫度，麵筋中的雙硫鍵被轉化為位於金屬位點外層或第一配位殼層的硫原子，形成C–S或Co–S鍵。C–S配位結構可降低金屬物種的d帶中心，使ORR反應中間產物的吸附程度趨於適中。臨場X光吸收光譜（In Situ XAS ）證實此原子結構在反應過程中保持穩定。然而，Co–S配位會降低電化學穩定性，並在ORR過程中促使金屬氧化物團簇的形成，藉由增強O–O鍵的斷裂，推動反應走向四電子路徑。最佳化後的鈷單原子催化劑在酸性電解液中可達到50.5 mmol gcatalyst⁻¹ h⁻¹的過氧化氫生成速率，最終濃度約 42.8 mM，可用於醫療消毒與家庭清潔。此外，本研究亦展示電-芬頓（electro-Fenton）系統可有效處理廢水中的酚類污染物。
研究動態
