钴上的原子调整使得ECO友好的H2O2生产八倍增加

3d唯一钴原子的图象在氮掺杂的石墨烯的。对于该研究来控制单钴原子的配位环境至关重要，因为该协调结构直接影响整体催化剂的催化性质。

调制单个钴原子促进了低成本，高效，环保的电化学H2O2生产，可能有利于半导体和医疗行业。

就像我们洗澡就像洗掉所有污垢和其他颗粒一样，半导体也需要清洁过程。然而，它的清洁表明甚至追踪污染物“留下没有痕迹”。在将所有芯片制造材料施加到硅晶片上之后，采用严格的清洁过程去除残留颗粒。如果这种高纯度清洁和颗粒移除步骤出错，则芯片中的电气连接可能会受到它。在市场上具有较为小型的小工具，电子行业的纯度标准达到极端水平，就像在沙漠中寻找针一样。

这解释了为什么过氧化氢（H2O2）是一种主要的电子清洁化学品，是芯片制造业的最有价值的化学原料之一。尽管H2O2具有不断增长的意义，但其行业已留下了一种被称为蒽醌过程的能量密集型和多步骤。这是一种环境不友好的方法，涉及使用昂贵的钯催化剂的氢化步骤。或者，H 2 O 2可以直接由H 2和O 2气体合成，尽管反应性仍然非常差，但需要高压。另一种环保方法是通过2-电子通路将氧气电化学减少到H 2 O 2。最近，已经证明了贵族金属基电催化剂（例如，AU-Pd，Pt-Hg和PD-Hg），以显示H2O2生产率​​，尽管这种昂贵的投资已经看出，未能满足可扩展行业需求的低回报。

图2。Co-N4 /石墨烯催化剂的原子水平调谐。钴原子与四个氮原子配位形成在氮掺杂石墨烯（Co-N 4 /石墨烯）上形成方形平面CO-N4结构。研究人员可以通过在CO-N4结构附近引入电子富含电子（例如，氧气）或电子贫且氢）原子来控制钴原子的充电状态。具体地，当电子富含电子的氧原子近于CO-N4时（CO-N4（O）），钴原子的电荷状态略微降低成为电子贫钴，在电化学H2O2生产上表现出显着提高。相反，当电子富含电子的氢原子接近CO-N4结构时，CO-N4（2H），钴原子变得富有电子，使得它对H2O2的产生不利。

纳米粒池研究中心的研究人员（由Direct Taeghwan Hyeon和副主任副主任Yung-Eun Sung）与首尔大学的Jong Suk Yoo合作，最近报告了一个终极电催化剂，可以解决所有麻烦H2O2生产的问题。该新型催化剂包含掺入氮掺杂石墨烯的最佳CO-N4分子，CO1-NG（O）表现出记录高电催化反应性，产生高达8倍的H 2 O 2的量较高金属基电催化剂（例如，Pt，Au-Pd，Pt-Hg等）。合成的催化剂完全包括比常规钯催化剂更低的昂贵元素（CO，N，C和O）的至少2000倍，并且它们在110小时的H 2 O 2生产中没有活动损失而异常稳定。

通常涉及催化剂（通常是固体）和反应物（气体）的不同阶段，非均相催化剂在许多重要的工业过程中被广泛利用。尽管如此，仍被认为仅通过改变组成元素来控制它们的催化性质。在这项研究中，研究人员通过微调在酶催化剂中看到的元素的局部原子构造来验证它们对非均相催化剂的特异性相互作用（图2）。主任赫翁，研究注意事项的相应作者，“本研究成功地证明通过调节原子组合物来控制催化性质的可能性。这一发现可能让我们更接近发现催化活动的基本性质。“

图3。各种电催化剂的H2O2生产力概述。1千克优化的CO1-Ng（O）催化剂可以在1天内产生341.2kg H 2 O 2，其高达8倍的H 2 O 2可以通过最先进的贵金属电催化剂生产。

基于理论分析，验证了氮掺杂石墨烯上的钴原子的电荷密度高度依赖于钴原子周围的配位结构。因此，研究人员可以通过引入富含电子或氧气原子的电子较差的物种来控制钴原子的电子密度。当附近电子氧原子时，CO原子变为电子缺陷。另一方面，当附近电子富氢原子时，发现相反的趋势（这将产生富含电子的CO原子）。非常有趣的是，CO原子的电子密度对于电化学H2O2产生至关重要。

接下来，研究人员通过拥有所有所需条¬件，例如精确选择元素，合成温度和各种实验条件，设计了最佳钴原子结构（CO1-N4（O））。组合理论模拟和纳米材料合成技术，研究人员能够控制原子精度的催化性能。通过电子差的CO原子（CO1-NG（O）），它们能够产生具有显着高的活性和稳定性的H2O2，远远超过最先进的贵金属催化剂。相反，电子富含电子的CO原子对H2O形成的4-电子氧还原反应表现出高反应性，这可能发现可用于燃料电池应用。

令人惊讶的是，341.2千克H 2 O 2可以在室温和大气压下使用1kg CO1-Ng（O）催化剂在1天内生产。该量的H 2 O 2高达8倍，通过最先进的贵金属催化剂产生的H 2 O 2量越高（图3）。CO1-N4（O））是一种极限催化剂，可允许低成本，高效，环保的H2O2生产。唱教授，通讯作者说：“首次发现，异质催化剂的催化性能可以以原子精度微调。这个前所未有的结果将有助于我们了解以前的电化学H2O2生产未知方面。通过这种知识，我们可以设计一种可伸缩的催化剂，该催化剂完全由土方元素（CO，N，C和O）组成。“