过氧化氢(H2O2)是一种重要的化学物质，在化学工业和医药工业中起着至关重要的作用。H2O2的工业生产在很大程度上依赖于能源密集型的蒽醌法，需要使用昂贵的钯催化剂对2-烷基蒽醌进行氢化。利用电化学方法生产H2O2是一种非常具有潜力的新技术。贵金属电催化剂(如金-钯、铂-汞、钯-汞等)常被用于电化学生产H2O2。通过制备合金来控制贵金属的表面电子结构已被用于优化反应中间体的吸附能来选择性地生产H2O2。然而，H2O2的产率仍然太低，不能满足实际应用的要求。自然界通过一种叫做超氧化物歧化酶的酶催化超氧化物(O2−)自由基突变为H2O2，以防止细胞氧化损伤。超氧化物歧化酶是一种氧化还原活性金属酶，由地球丰富的金属辅因子和周围的有机配体组成。与超氧化物歧化酶类似，各种含有过渡金属(如钴)的分子配合物已被探索用于产生H2O2。结果表明，可以通过改变金属中心周围的原子结构来调节H2O2的产率。近日，韩国基础科学研究所的Taeghwan Hyeon、Yung-Eun Sung和首尔大学的Jong Suk Yoo等人合作在第一性原理计算的指导下，发现Co-N4的催化性能可以通过微调其周围的原子结构得以精确调控，以类似于金属酶依赖结构的催化性能。使用这一原则，他们设计并合成了一种包含优化的Co-N4结构的氮掺杂石墨烯单原子电催化剂，用于电催化制备过氧化氢，该催化剂表现出优异的动力学电流密度为2.8 mA cm−2 (0.65 vs RHE )和155 A g−1的质量活性(0.65 vs RHE )，而且，具有良好的稳定性，110小时后，催化活性几乎没有损失。该工作为通过调节原子配位环境设计制备高活性、高稳定性的电催化剂提供了一种新的思路。
Jung, E., Shin, H., Lee, B. et al. Atomic-level tuning of Co–N–C catalyst for high-performance electrochemical H2O2 production. Nat. Mater. (2020)
doi:10.1038/s41563-019-0571-5
https://doi.org/10.1038/s41563-019-0571-5
