第一作者：Rongtao Hu; Yaqi Gui; Bing Huang

通讯作者：Lunhui Guan

通讯单位：Chinese Academy of Sciences

研究内容：

通过双电子氧还原反应(ORR)电化学生产过氧化氢(H₂O₂)，可以实现绿色可持续的H₂O₂的合成。目前面临的问题是制造性能优良的电催化剂。由于C₆₀具有均匀结构和丰富的五边形环，因此作者选择C₆₀作为前驱体。通过C₆₀与噻吩之间的强相互作用，在液体反应中进行杂分子组装后，在固体煅烧中重构碳的拓扑结构，使C₆₀首次成功转化为具有有效孔隙结构的多面体碳微纳米壳(PCMNS)。其在中性介质中表现出优异的双电子ORR产H₂O₂的能力。

要点一：

要点二：

PCMNS具有如此优异的双电子ORR性能是由于其丰富的可达活性位点和层次性孔隙结构。本研究提出了一种噻吩辅助合成方法。噻吩单体作为连接剂，通过C₆₀和噻吩分子之间强烈的π-π相互作用，有序地将C₆₀分子紧密连接，最终与KOH反应并经高温热处理后得到多级多孔多面体结构的电催化剂。与未加入噻吩（ACNA）的对照实验相比，这种具有层次化孔洞的特殊结构使活性位点充分暴露，使合成的电催化剂在中性介质中具有优良的双电子ORR性能。

图1：C₆₀衍生的多面体碳微纳米壳的合成路线。

图2：C₆₀衍生的多面体碳微纳米壳的电子显微镜分析:（a-c）SEM图像、（d）TEM图像、（e）HAADF-STEM图像和EDS元素映射。

图3：PCMNS、ACNA和C₆₀的(a)xrd谱图、(b)拉曼光谱、(c)C 1s和(d)O 1s谱。(e) PCMNS和ACNA的N₂吸附解吸等温线曲线。(f) PCMNS与ACNA 比表面积的对比。(PCMNS:多面体碳微纳米壳;非晶态碳纳米聚集体)。

图4：PCMNS、ACNA和 C₆₀的（a）循环伏安曲线，（b）线性扫描伏安曲线，（c）Tafel斜率，（d）电化学表面积（电解质为0.1 M K₂SO₄）。

图5: PCMNS在0.1 M K₂SO₄条件下电催化ORR的稳定性评价:（a）静电位测试后的i-t曲线、（b）循环伏安曲线、（c）选择性电位曲线、（d）电化学比表面积。

图6：（a）H-型电解槽示意图，（b）紫外可见近红外吸收光谱法测定H₂O₂浓度。PCMNS/碳纸电极的（c）线性扫描伏安曲线和（d）i-t曲线，（e）不同电解时间、（f）H₂O₂浓度的电解时间曲线。

图7：热处理前样品的结构表征和元素分析。（a）SEM图、（b）TEM图、（c）PXRD图、（d）元素含量分析、（e）XPS S 2p谱图。

参考文献：

Hu R, Cui Y, Huang B, et al. Transforming C60 Molecules into Polyhedral Carbon Micro–Nano Shells for Electrochemically Producing H2O2 in Neutral Electrolytes [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13 (30):35856.