通過兩電子氧還原途徑電催化合成過氧化氫（H₂O₂）是一種越來越受到重視的綠色生產工藝，然而目前仍然缺乏在工業級電流密度下具有高選擇性和高活性的有效電催化劑，致使其在過氧化氫濃度和過氧化氫產率方面難以達到實際應用的水平。近日，化學科學與工程學院趙國華教授團隊提出了一種利用金屬有機框架自優化重構行為生成陽離子空位的策略，用於固態電解質反應池中工業級電流密度下H₂O₂的高效電合成。相關研究成果以“Self-Optimized Reconstruction of Metal-Organic Frameworks Introduces Cation Vacancies for Selective Electrosynthesis of Hydrogen Peroxide”為題，以Research Article形式發表於國際化學領域權威期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)。

研究團隊基於MOFs的自優化重構特征，利用電化學選擇性原位去除特定金屬離子的策略，在催化劑表面引入了豐富的陽離子空位。

研究人員利用原位電化學拉曼光譜和原位電化學同步輻射深入探究了MOF的電化學重構過程，通過EPR譜學表征和球差電鏡可視化結構表征證實了陽離子空位的成功引入。

旋轉環盤（RRDE）實驗結果表明，陽離子空位的引入使電催化劑的H₂O₂選擇性在堿性和中性環境中均達到了97%以上，證實了陽離子空位在調節催化劑的H₂O₂選擇性和活性方面的核心作用。

在固體電解質反應池中，電催化劑展現出良好的穩定性（220 h性能不衰減），同時在400 mA cm⁻²的工業級電流密度下可以持續輸出濃度為3.36 wt%的H₂O₂水溶液（產率：24.53 mol g_catalyst^-1 h^-1）。在中試實驗中，可以連續輸出超過8 wt %的高濃度H₂O₂水溶液，該策略有望為分布式、可持續的過氧化氫電合成提供借鑒和啟示。

系列原位電化學研究結果闡明了關鍵中間體*OOH在2e⁻ ORR過程中的結合機製，證實了陽離子空位在2e⁻ ORR反應中的促進作用。

理論計算結果表面光在原子水平上，陽離子空位工程有效調節了材料的電子和表面結構，使關鍵中間體*OOH在催化表面的吸附得到優化，進而抑製O-O鍵的進一步斷裂，以促進2e⁻ ORR反應途徑的更好、更快發生。

化學科學與工程學院趙國華教授為論文的通訊作者，博士生苗超為論文第一作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目和上海光源重點課題研究項目等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202501930