碳纳米材料作为通过双电子氧还原反应合成过氧化氢（H2O2）的电催化剂具有卓越的潜力。然而，能够以高选择性和长时间稳定性在工业电流密度（>300 mA cm-2）下生成H2O2的碳基电催化剂仍有待发现。
2024年12月30日，中国工程院院士蒋剑春，南京林业大学范孟孟副教授，奥克兰大学王子运教授和辛辛那提大学邬静杰副教授在Nature Communications发表题为《Electrochemically synthesized H2O2 at industrial-level current densities enabled by in situ fabricated few-layer boron nanosheets》的研究论文。Yuhan Wu, Yuying Zhao为论文共同第一作者，蒋剑春院士，范孟孟副教授，王子运教授和邬静杰副教授为论文共同通讯作者。
蒋剑春，中国工程院院士，国际木材科学院院士，中国林业科学研究院林产化学工业研究所研究员、博士生导师。
蒋剑春于1980年从华东理工大学毕业；1982年至1994年担任中国林业科学研究院课题副组长；1993年获得中国林业科学研究院硕士学位；1994年至1999年担任中国林业科学研究院课题组长；2003年获得中国林业科学研究院博士学位；1999年担任中国林业科学研究院研究员；2001年担任国家林产化学工程技术研究中心主任；2003年担任中国林业科学研究院博士生导师；2004年至2016年担任中国林业科学研究院所长；2008年担任生物质化学利用国家工程实验室主任；2009年担任江苏省生物质能源与材料重点实验室主任；2017年当选中国工程院院士。
蒋剑春主要从事林产化学加工领域的生物质热化学转化技术、活性炭制备和应用的基础与应用基础研究、开发设计工作。
王子运，新西兰奥克兰大学讲师。2012年本科毕业于华东理工大学，2015年博士毕业于英国女王大学，师从胡培君教授和Chris Hardacre教授。先后在斯坦福大学（合作导师Jens K. Nørskov教授）和多伦多大学（合作导师Edward H. Sargent教授）从事博士后研究，主要研究方向包括二氧化碳电还原的理论计算、人工智能辅助多相催化设计和表面微动力学。
在本研究中，将少层硼纳米片原位引入多孔碳基质中，作者创造了一种在中性或碱性介质中具有H2O2工业生产速率的无金属电催化剂（Bn-C）。在电流密度为300 mA cm-2和0.1V的140小时测试中，Bn-C保持了超过95%的法拉第效率，在含1.0M Na2SO4的液流池中显示出25.1 mol gcatalyst−1 h−1的质量活性。理论模拟和实验研究表明，优异的催化性能源于硼纳米片中吸附有O原子的B原子。Bn-C在工业电流密度下合成H2O2的性能超过了迄今为止所有报道的金属基和无金属碳催化剂。
图1：催化剂的电催化性能：在饱和氧气的碱性和中性电解质中合成H2O2
图2：在流动电池中以高电流密度进行的H2O2生产测试
图3：H2O2生产过程的催化机制
综上，这项研究成功合成了由少层硼纳米片组成的Bn-C电催化剂，该催化剂在多孔碳基质中展现出高效和耐久2e-ORR性能。在工业电流密度（300 mA cm−2）下，Bn-C催化剂在碱性和中性介质中均展现出前所未有的H2O2合成性能。结构表征和密度泛函理论（DFT）计算表明，硼纳米片表面的氧原子能有效地激活相邻的硼原子，通过调节*OOH中间体的吸附能来实现高效的2e-ORR。同时，硼烯促进了O2的吸附，从而提高了ORR过程中的质量传递。作为实际应用的示范，Bn-C成功地作为阴极在H2O2电解槽系统中用于造纸黑液的原位木质素脱聚。这项工作为设计在工业电流密度下用于H2O2生产的碳基催化剂开辟了新的视野。
Wu, Y., Zhao, Y., Yuan, Q. et al. Electrochemically synthesized H2O2 at industrial-level current densities enabled by in situ fabricated few-layer boron nanosheets. Nat. Commun., (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55071-7.
