来源：X-MOL（https://www.x-mol.com/news/18210）
双氧水（H2O2）在生产生活中应用广泛，通过电化学方法利用氢气和氧气直接合成H2O2具有节能、环保、安全等优点。H2O2在酸性条件下具有更好的稳定性，且目前质子交换膜较为成熟，因此开发酸性条件下的H2O2电化学直接合成方法尤为重要。然而，目前在酸性条件下的能够高选择性、高活性地将氧气还原为H2O2的催化剂仍然匮乏。
近日清华大学李亚栋院士课题组、彭卿教授课题组与北京化工大学庄仲滨课题组合作，在Chem上发表题为“High-Concentration Single Atomic Pt Sites on Hollow CuSx for Selective O2 Reduction to H2O2 in Acid Solution”的论文，报道了一种高浓度的Pt单原子催化材料（h-Pt1-CuSx），可以实现在酸性条件下的高选择性（>90%）、高活性地还原氧气为H2O2，并用此催化剂制备了能够直接利用氢气和氧气高效合成H2O2的电化学器件。
Pt纳米颗粒通常高选择性地将氧气还原为水，但是当Pt变为单原子催化剂后，这种单原子的Pt位点可以有效避免氧气还原过程中氧-氧键的断裂，从而高选择性地将氧气还原为H2O2。然而目前单原子催化剂的活性位点载量仍然很低，这导致催化剂的整体活性不高。提高催化原子载量的同时，它们通常会发生聚集而形成团簇和纳米颗粒，丧失单原子催化剂的特性。在氧气选择性反应中即表现为H2O2选择性的大幅下降。如何有效提高单原子催化剂载量的同时又能够使活性金属维持在单原子状态，是单原子催化剂发展的一个巨大挑战，也是实现高选择性、高活性地将氧气还原为H2O2的关键。该篇论文从软硬酸碱理论出发，利用Pt亲硫的特性，使用硫化物CuxS作为Pt单原子催化剂的载体，成功制备了Pt含量高达24.8 at%的超高浓度Pt单原子催化剂h-Pt1-CuSx。该催化剂通过离子交换—还原的策略合成，Pt逐渐在CuxS纳米颗粒的表面以单原子分散的形式沉积，同时内部的CuxS被氧化刻蚀，最终形成一个空心结构（TEM等见图1）。球差矫正的透射电子显微分析和X射线吸收近边结构分析均表明该催化剂中Pt呈现出单原子分散状态。
图1，h-Pt1-CuSx的（a）TEM照片，（b）EDS元素分布图，（c,d）HAADF-STEM图片。
h-Pt1-CuSx催化剂表现出电催化还原氧气为H2O2的高选择性和高活性，相关RRDE分析结果见图2。在整个测试电压范围内，生成H2O2的选择性始终大于90%。在0.4 V处，其质量活性高达35±4 A mg−1 cat。在循环10000圈后，催化剂的活性和选择性基本保持不变。优异的催化表现得益于h-Pt1-CuSx催化剂的（1）高纯净性的单原子Pt位点；（2）超高的Pt单原子位点浓度；（3）空心结构带来的传质加强作用。
图2，h-Pt1-CuSx对于氧气还原的（a）极化曲线，（b）H2O2选择性。
使用h-Pt1-CuSx催化剂成功制备了能够直接利用氢气和氧气高效合成H2O2的电化学器件。阳极发生氢气氧化反应，阴极发生氧气的选择性还原反应，总反应为氢气加氧气生成双氧水（图3）。利用该电化学器件合成H2O2的产率高达546±30 mol kgcat−1 h−1，是目前已有最佳单原子催化剂的44倍，也是目前最佳热催化剂的4倍。
图3，（a）直接利用氢气和氧气高效合成H2O2的电化学器件，（b）H2O2产量。
这种合成高活性位点浓度单原子催化材料的方法也具备普适性，也可以推广到Pd、Rh等其他单原子材料的合成。
原文链接：https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30182-2
