南京师范大学Shaogui Yang课题组–硼掺杂石墨烯催化剂高效合成H2O2的机制及富氧空气的作用

制备了不同的B掺杂rGO催化剂并研究了它们的2e^–氧还原反应(ORR)性能。结果发现，B掺杂rGO的2e^– ORR选择性与B含量和氧传质条件有关。合成的催化剂表现出95-98.6%的高2e^– ORR选择性，在200 mA cm^-2 的电流密度下H₂O₂产率高达95.63 mg cm^-2 h^-1 。此外，将供应至 B 掺杂 rGO 修饰气体扩散电极 (GDE) 的气体中的氧浓度仅增加至 30-40%，导致 H₂O₂ 产率几乎与使用纯氧相同。实验分析和理论计算表明，分离的 B 掺杂剂充当 2e^– ORR 的活性位点。此外，B掺杂的rGO修饰的GDE被应用于电Fenton系统，以持续降解有机污染物。该工作将有益于碳基ORR催化剂的研究和应用。

Fig 1. rGO 的 (a、b) SEM、(c) TEM 和 (d) HRTEM 图像。 （FFT 图像的插图）4B-rGO-800 的（e、f）SEM、（g）TEM 和（h）HRTEM 图像。 （FFT 图像的插图）。

Fig 2. (a, b) 1B-rGO-800、2B-rGO-800、4B-rGO-800 和 8B-rGO-800 的 XPS 高分辨率 C1s 和 B1s 光谱。(c) rGO、1B-rGO-800、2B-rGO-800、4B-rGO-800 和 8B-rGO-800 的拉曼光谱。(d) rGO、2B-rGO-800、4B-rGO-800 和 8B-rGO-800 的 FT-IR 光谱。(e) rGO、2B-rGO-800、4B-rGO-800 和 8B-rGO-800 的 N₂ 吸附-解吸等温线和 (f) 孔径分布。（g）rGO、1B-rGO-800、2B-rGO-800、4B-rGO-800 和 8B-rGO-800 的双电层电容（EDLC）测量（催化剂负载量:100 mg cm^-2 ）。(h) 奈奎斯特图，(i) 相应的欧姆电阻和电荷转移电阻。

Fig 3. rGO、1B-rGO-800、2B-rGO-800、4B-rGO-800 和 8B-rGO-800 在 (a) pH 3、(b) pH 6.5 下 LSV 期间的耗氧量测量，相应的 e/ O₂ (c) pH 3.0，(d) pH 6.5（催化剂负载质量：200  mg cm^-2 ；扫描速率：1 mV s^-1）。rGO、1B-rGO-800、2B-rGO-800、4B-rGO-800 和 8B-rGO-800 的 (e) H₂O₂ 积累和 (f) 相应的电流效率（电流密度：60 mA cm^-2 ；pH 6.5) 和 (g) 施加的电流密度和 (h) 电解质 pH 对 rGO 和 4B-rGO-800 的 H₂O₂ 积累和电流效率的影响（催化剂负载质量：3 mg cm^-2 ）。

Fig 4. 4B-rGO-600、4B-rGO-700、4B-rGO-800 和 4B-rGO-900 的(a) 拉曼光谱、(b) XPS B1s 光谱和 (c) XPS O1s 光谱。(d) 奈奎斯特图，(e) 相应的欧姆电阻和电荷转移电阻，以及 (f) 4B-rGO-600、4B-rGO-700、4B-rGO-800 和 4B-rGO-900（催化剂）的 EDLC负载质量：100 μg cm^-2 )。

Fig 5.  (a) 在 pH 6.5 的 LSV 过程中测量 4B-rGO-600、4B-rGO-700、4B-rGO-800 和 4B-rGO-900 的耗氧量，以及 (b) 相应的 e/O₂（催化剂负载质量：200 μg cm^-2 ；扫描速率：1 mV s^-1)。4B-rGO-600、4B-rGO-700、4B-rGO-800 和 4B-rGO-900 的 (c) H₂O₂ 积累和 (d) 相应的电流效率（催化剂负载量：3 mg cm^-2 ；电流密度：60 mA cm^-2；pH 6.5）。

Fig 6. 在 (a) pH3.0、(b) pH 6.5 条件下，在氧气和空气气氛中进行 LSV 期间 4B-rGO-800 的耗氧量测量，以及 (c) pH 3.0 和 (d) pH 6.5 条件下相应的 e/O₂（催化剂负载质量：200 mg cm^-2 ；扫描速率：1 mV s^-1)。(e) 同时直接测量空气中 4B-rGO-800 LSV 期间消耗的总 e^– 和 O₂ 摩尔数。在 (f) 氧气和 (g) 空气气氛中，同时直接测量 4B-rGO-800 计时电位测定过程中消耗的总 e^– 和 O₂ 摩尔数。(h) 4B-rGO-800 改性 GDE 在不同氧含量下的 H₂O₂ 积累和 (i) 相应的电流效率（催化剂负载质量：3 mg cm^-2 ；电流密度：200 mA cm^-2 ；pH 6.5）。(j) 不同电流密度下氧含量对4B-rGO-800 H₂O₂积累和电流效率的影响。

Fig 7. (a) rGO、4B-rGO-800 和 8B-rGO-800 CP 测量过程中 e/O₂ 随氧含量的变化（催化剂负载量：200 mg cm^-2 ；电极面积：3 cm² ；电流密度: 1 mA cm^-2). e/O₂ 与 (b) 硼量、(c) 氧量之间的关系。(d) *OOH 中间体吸附的优化模型。(e) 优化模型上 2e- ORR 反应途径的图示。

Fig 8.  (a-e) B掺杂rGO的稳定性测试结果以及(f, g) ORR性能与文献的比较。（催化剂负载质量：200 μg cm^-2 ；电流密度：5 mA cm^{– 2}      O₂ 流量：15 mL min^-1 ；pH：6.5）。

Fig 9. 使用 4B-rGO-800 改性 GDE 在均质 EF 系统中进行 (a) IOH、(b) AAP 和 (c) TC 的连续降解实验（催化剂负载量：3 mg cm^-2 ；电极面积：3 cm² ；电流密度：60 mA cm^-2 ；pH：3.0；Fe²⁺：1 mM）。

相关研究工作由南京师范大学Shaogui Yang课题组于2023年在线发表在《Applied Catalysis B: Environmental》期刊上，Boron-doped rGO electrocatalyst for high effective generation of hydrogen peroxide: Mechanism and effect of oxygen-enriched air。