通过电化学两电子氧还原反应(2e−ORR)合成H2O2是一种绿色且可持续生产H2O2的方法之一。过渡金属氧化物表面总是具有微弱的氧吸附作用，具有催化2e-ORR的作用。从环境和生物相容性的角度来看，ZnO是一种理想的绿色电催化剂，并且ZnO被认为是通过光或电驱动的2e-水氧化反应产生H2O2的潜在催化剂。此外，ZnO可以通过H2O2转化为ZnO2，因此ZnO作为生产H2O2的催化剂的真正活性位点和催化机理值得进一步研究。
基于此，苏州大学康振辉、刘阳和程涛等通过在ZnO(101)面上原位生长八面体ZnO2，成功制备了ZnO@ZnO2催化剂，其对H2O2表现出高的选择性。实验结果表明，在中性电解质中，ZnO@ZnO2的起始电位(0.1 mA cm-2)约为0.46 VRHE，H2O2选择性最高为97.75~100%(超过了ZnO(4.2~67.8%)和ZnO2(77.2~83.1%))，以及对应的电子转移数为2.65。并且，ZnO@ZnO2在0.3 VRHE下可以持续运行40 h，并保持了稳定的ORR催化性能和H2O2选择性。此外，在利用ZnO@ZnO2组装的气体扩散电极(GDE)流动池中，在0.1 VRHE下的12 h不间断测试中，电流稳定在~125 mA cm-2，H2O2产率为5.47 mol gcat−1 h−1，法拉第效率约为95.5%，超过了文献报道的大多数催化剂。更重要的是，长时间循环试验前后催化剂结构无明显变化，说明ZnO@ZnO2在催化过程中具有良好的结构稳定性。理论计算表明，非均相界面上的Zn原子作为反应的活性位点，并且由于ZnO和ZnO2相邻的特定化学环境，Zn原子可以降低*OOH和*O反应中间体的结合能，从而增强了2e−ORR的活性。此外，脉冲电压诱导电流(PVC)、原位表征技术和电化学研究相结合，揭示了ZnO表面的转化以及ZnO上原位催化活性位点的生产过程。总的来说，这项工作研究了原位条件下的活性位点和过渡金属氧化物电催化剂的表面结构，有助于合理设计高效的催化剂以实现绿色和可持续的H2O2生产。The Operation Active Site of O2 Reduction to H2O2 over ZnO. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D3EE01788E
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