SSTECH编辑优选：p区金属单原子催化剂电合成过氧化氢的密度泛函理论研究
文章介绍
- 吴宗耀，西藏藏医药大学
- 边巴仓决，西藏藏医药大学
- 左四进，中国药科大学
研究背景：
过氧化氢广泛应用于环境修复、化工合成、医疗消毒及漂白等领域。目前工业生产主要依赖蒽醌法，该工艺流程复杂、能耗较高，不符合绿色低碳发展的需求。电催化两电子氧还原反应（2e⁻ ORR）能够以氧气和水为原料，在温和条件下原位制备H₂O₂，被认为是最具发展潜力的绿色制备技术之一。
然而，现有催化剂普遍受到OOH和O吸附能之间固有标度关系的限制：增强OOH吸附虽然有利于提高反应活性，却往往会促进O生成，从而降低H₂O₂选择性。因此，如何突破这一活性—选择性权衡关系，建立催化剂电子结构与催化性能之间的构效关系，是当前电催化H₂O₂研究领域的重要科学问题。
研究内容：
本研究采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，系统构建了八种p区金属（Al、Ga、Ge、In、Sn、Sb、Pb和Bi）单原子催化剂模型，对P@N3和P@N4两类配位结构进行了稳定性、电子结构及氧还原反应性能分析，并结合Bader电荷分析、投影态密度（PDOS）、吸附自由能计算及多元线性回归等方法，深入揭示催化机理。
研究发现，相较于P@N3结构，P@N4具有更高的热力学稳定性及电化学稳定性。更重要的是，N4配位能够通过吸附过程中金属–氮键及键角的结构弛豫，部分打破OOH与O吸附自由能之间的传统线性标度关系，使催化剂在保持高活性的同时显著提高两电子氧还原反应选择性，实现活性与选择性的协同优化。
进一步地，作者结合电子结构参数、Bader电荷、价电子数、p带中心、电子转移量等多个关键因素，建立了新的综合描述符φ，其对*OOH吸附自由能具有优异预测能力（R²=0.89），能够定量揭示不同材料参数对催化性能的贡献，并可用于快速筛选高性能单原子催化剂。
最后，以Bi@N4为代表，通过电子结构调控进一步验证了该理论设计策略能够有效优化H₂O₂电合成性能。该研究不仅深化了对p区单原子催化剂两电子氧还原反应机理的理解，也为绿色高效H₂O₂电合成催化剂的理性设计提供了新的理论框架和设计方法。
作者介绍
左四进 副研究员
中国药科大学
- 左四进，中国药科大学副研究员、博士生导师，新加坡国立大学博士后，主持国家自然科学基金青年基金，江苏省青年科技人才托举工程等项目。长期从事环境电化学、单原子催化、电催化过氧化氢合成及高级氧化技术研究，在Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、PNAS等国际期刊发表多篇论文。
期刊介绍
- Sustainability Science and Technology（SSTECH）是一本跨学科的开放获取期刊，旨在介绍推动地球更可持续发展的科学、技术和工程进展。SSTECH期刊重点关注各科学和工程学科在环境、社会和经济这三大可持续发展支柱中取得的重要突破。