中科院/宁波中科科创Nano Energy：法拉第效率91%！高自旋CoN4-C选择性电催化2e-ORR高效合成H2O2！

过氧化氢（H₂O₂）作为绿色氧化剂，在污水处理、化学合成等领域至关重要。传统蒽醌法生产H₂O₂能耗高、副产物多、碳排放量大，而酸性条件下的电化学氧还原（2e ORR, O₂ + 2e + 2H⁺ → H₂O₂）凭借低碳、原位生产的优势，成为理想替代方案。其中，*OOH是ORR过程的关键中间体，*OOH在活性位点上的吸附强度决定了ORR的2e/4e路径选择性及活性。一方面，如果*OOH在活性位点上吸附太弱，则电催化过程难以启动，造成催化剂活性低；另一方面，如果*OOH在活性位点吸附过强，则易发生O-O键断裂和4e ORR过程，造成2e ORR选择性差。因此，如何调控催化剂电子结构，使得*OOH在活性位点上的吸附强度适中是开发高活性、高选择性酸性2e ORR催化剂的核心难点。

中科院上海高等研究院杨辉研究员团队与宁波中科科创利用活性气体对金属原子的“拖拽效应”，拉长了Co原子与N原子的配位键长，诱导Co-3d轨道上电子的高自旋排布构型，得到一种高自旋CoN₄-C催化剂（CoN₄-C-NH₃）。CoN₄-C-NH₃解决了*OOH在传统CoN₄-C催化剂上吸附过强、2e ORR选择性低的问题，展示出优异的2e ORR电催化活性（0.698 V vs. RHE）与H₂O₂选择性（91.4%），并在流动池应用中展现出极高的电流法拉第效率（91%）。相关成果以“Engineering spin state of CoN₄-C single atom catalyst for acidic electrosynthesis of hydrogen peroxide”为题发表在Nano Energy上，论文第一作者是宁波中科科创朱艳萍博士。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111142

                                                                                                                       图1. CoN₄-C-Ar/CO₂/NH₃催化剂结构设计与电子结构分析

                                                                                                               图2. CoN₄-C-Ar/CO₂/NH₃催化剂电催化2e ORR性能及流动池应用数据

                                                                                                                         图3. CoN₄-C-Ar/CO₂/NH₃催化剂的原位自旋态结构表征

                                                                                                                                               图4. 密度泛函理论研究