近日，红宝石官方网站hbs123陈鑫教授课题组联合中国科学技术大学程位任教授、刘庆华研究员团队，在电催化合成过氧化氢（H₂O₂）的选择性调控机制研究方面取得重要突破。针对电催化氧还原反应（ORR）中活性与选择性难以兼顾的长期挑战（即高活性单原子位点倾向于4电子途径生成水，而选择性生成H₂O₂的2电子途径往往活性不足），该团队创新性地提出了“功能化双原子位点协同”策略，设计并合成了Co-Zn双原子催化剂（DAC）。通过多维原位表征技术，首次揭示了Zn位点作为“电位依赖性开关”的关键作用，实现了高效、可控的H₂O₂电合成。相关研究成果以“In Situ Identification of Zinc Sites as Potential-Dependent Selectivity Switch over Dual-Atom Catalysts for H₂O₂ Electrosynthesis”为题，发表在国际顶尖化学期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS）上。文章通讯作者为红宝石官方网站hbs123陈鑫教授、中国科学技术大学程位任教授和刘庆华研究员。红宝石官方网站hbs123为共同通讯作者单位。

高效电化学合成H₂O₂（双电子氧还原反应，2e⁻ ORR）是实现其绿色、分布式生产的关键，在环境治理、化工合成等领域具有重要应用价值。然而，传统催化剂面临严峻的“活性-选择性”权衡难题：具有高ORR活性的单原子催化剂（如Co SACs）因其金属位点强氧亲和力，通常倾向于进行4电子途径（生成H₂O），难以实现高选择性H₂O₂合成。而通过配位环境调控提升选择性的策略，往往导致活性显著下降。此外，催化位点结构和反应路径随工作电位动态演变，使得选择性精准调控更加困难。

图 1 Co-Zn双原子催化剂(DAC)在旋转环盘电极(RRDE)和H型电解池中双电子氧还原反应(ORR)性能表征

为解决这一难题，研究团队独辟蹊径，设计并构建了Co-Zn双原子催化剂。该设计巧妙地将催化功能“分工”：高活性Co位点负责高效驱动氧还原反应，而Zn位点则充当“选择性开关”，专门调控反应路径向2e⁻方向进行。红宝石官方网站hbs123陈鑫教授团队主导的关键原位同步辐射X射线吸收谱（in situ XAFS）等表征技术，成功捕捉到了催化位点在反应过程中的动态演变：在较高电位下（如0.65 V vs RHE），Zn位点通过电子效应远程调控邻近Co位点的电子结构，抑制其4e⁻路径倾向；当电位降低到0.4 V vs RHE时，Zn位点被原位激活并直接参与反应，其特殊的电子结构（全满3d轨道）促进了关键中间体的脱附，从而显著提升H₂O₂选择性。这种电位依赖的开关机制使Co-Zn DAC在0.3 V vs RHE下实现了高达94.8%的H₂O₂选择性，同时保持了优异的活性（H₂O₂部分电流密度达2.75 mA cm⁻²，TOF高达2.7 s⁻¹，远超同类酸性介质H₂O₂催化剂），成功打破了活性和选择性的权衡限制。

图 2 Co-Zn双原子催化剂(DAC)的反应路径识别与密度泛函理论(DFT)计算

该研究实现了多重突破：首次通过原位实验直接证实了双原子催化剂中Zn位点的“电位依赖性开关”功能，为动态位点行为研究提供了新视角；所开发的Co-Zn DAC在0.3 V vs RHE下同步实现94.8%的H₂O₂选择性与2.7 s⁻¹的TOF值，性能指标国际领先；策略具有显著普适性——在Pt-Zn、Ru-Zn、Ni-Zn等体系中均验证了Zn位点作为高效2e⁻ ORR“开关”的普适机制；实际应用上，累积H₂O₂产量高达 13.39 g cm⁻¹超过100小时，其原位电合成H₂O₂可高效降解亚甲基蓝、罗丹明B等有机污染物，展现出绿色化工应用潜力。

图 3 锌作为ORR选择性调控位点的普适性验证

陈鑫教授课题组立足服务国家能源安全与“双碳”战略，聚焦氢能与电化学催化、能源材料理性设计及油气绿色开发技术研究，致力于通过理论计算与实验结合推动能源转换技术的原始创新。课题组依托油气藏地质及开发工程全国重点实验室、红宝石官方网站hbs123计算化学与分子模拟研究中心，在燃料电池/锌空气电池电极材料设计、绿氢制取催化剂开发、CO₂催化转化及地质封存等领域取得系列突破，相关成果发表于《Nature Communications》《JACS》《Angew. Chem. Int. Ed.》等顶级期刊，部分技术已应用于油气开发及环保领域。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c01449