過(guò)氧化氫（H₂O₂）是全球100種最重要的化學(xué)品之一，在環(huán)境、能源以及醫療健康等領(lǐng)域中得到了廣泛應用。傳統的工業(yè)生產(chǎn)H₂O₂主要是通過(guò)能源密集型的蒽醌循環(huán)工藝，該過(guò)程需要投入大量能源并且會(huì )產(chǎn)生有機廢物。而電催化兩電子氧還原反應（2e^- ORR）合成H₂O₂可在常溫常壓下進(jìn)行，且以水和氧氣作為原料，被認為是一種綠色、高效的H₂O₂合成技術(shù)。盡管具有這些優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)仍然需要高活性、高選擇性的電催化劑來(lái)活化氧分子，并通過(guò)抑制4e^- ORR的競爭反應來(lái)獲得高的H₂O₂產(chǎn)率。

　　此外，目前對電催化合成的H₂O₂的原位利用也缺乏有效手段。在電芬頓反應中，陰極產(chǎn)生的H₂O₂在酸性條件下可以與Fe²⁺反應生成具有更高氧化能力的羥基自由基（ OH），當前該反應主要應用于環(huán)境治理方面。事實(shí)上，具有高氧化能力的 OH也可用于生物質(zhì)原料的氧化升級，替代傳統的陽(yáng)極氧化反應，能夠極大地擴展電芬頓反應的應用。因此，采用電芬頓工藝原位利用電催化合成的H₂O₂，對實(shí)現有機反應物的電化學(xué)氧化生成相應的高附加值產(chǎn)品具有重要意義。

　　基于此，固體所研究人員利用細菌纖維素為吸附調節劑和碳源，結合濕化學(xué)浸漬、高溫熱解和酸刻蝕的串聯(lián)工藝合成了具有氧配位結構的Fe單原子/團簇催化劑（ FeSAs/ACs-BCC）。球差校正掃描透射電子顯微鏡（AC-STEM）結果揭示了Fe單原子和Fe團簇的共存，結合X射線(xiàn)精細結構吸收光譜（XAFS）、X射線(xiàn)光電子能譜（XPS），確定了Fe的原子結構。所合成的FeSAs/ACs-BCC催化劑在堿性條件下表現出優(yōu)異的2e^- ORR電催化活性和選擇性，起始電位為0.78V（相對于可逆氫電極），H₂O₂選擇性高達96.5%。進(jìn)一步利用H-型電解池驗證H₂O₂能夠通過(guò)電催化合成并且可以在電解液中積累，在0.2 V（相對于可逆氫電極）條件下測得H₂O₂產(chǎn)率達到1.13 0.06 mol g_cat^-1 h^-1，相應的法拉第效率為87.8 4.8%。研究發(fā)現，將原位生成的H₂O₂與電芬頓反應偶聯(lián)，以乙二醇為反應物，酸化的0.1 M Na₂SO₄為電解液，在轉移100 C電荷后，乙二醇轉化率為56.5% 4.5%，甲酸選擇性為41.0% 5.0%，顯示了電芬頓工藝用于生物質(zhì)原料氧化升級的可行性。

　　為了進(jìn)一步提高H₂O₂的產(chǎn)率，研究人員基于氣體擴散電極構建了三相流動(dòng)池，在150 mA cm^-2的電流密度下獲得高達12.51 0.18 mol g_cat^-1 h^-1的H₂O₂產(chǎn)率，法拉第效率為89.4 1.3%，表明FeSAs/ACs-BCC在工業(yè)合成H₂O₂上具有應用潛力。密度泛函理論（DFT）分析結果揭示了2e^- ORR過(guò)程中實(shí)際的催化活性位點(diǎn)為Fe團簇，而Fe單原子可以調控Fe團簇位點(diǎn)的電子結構，優(yōu)化*OOH中間體的結合能，從而提高電催化2e^- ORR的性能。該項工作有望為設計和開(kāi)發(fā)高效原子級2e^- ORR電催化劑和生物質(zhì)氧化升級提供新思路。

　　上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金面上項目和站中特別資助項目以及安徽省青年基金的支持。