为了通过电化学2e–ORR实现H2O2的产生，人们已经开发出许多催化剂。单原子催化剂(SACs)集成了高原子位点利用率、易于调节原子和电子结构以及定义明确的活性中心等优点，但单个金属位点的线性功能使得在保持活性的同时难以提高选择性。
此外，许多原位研究已经证实，金属位点的空间配位结构和活性响应强烈依赖于电位，导致金属位点在不同工作电压下具有不同的活性和选择性。为了解决活性不足和选择性不可控的问题，设计一种具有明确功能和串联结构的催化位点组合，以适应多功能需求，是一种有前景的策略。引入双金属位点可以赋予SAC两个独立的功能中心，这些中心可以根据自身特性调节与特定反应前体分子或中间体的相互作用，同时在工作电压下激发协同效应，以促进高效的H2O2电合成。
因此，开发通用、功能精确分配和电压可编程的双金属位点，在克服不可控的活性-选择性权衡方面具有很大的前景，并使原位H2O2生产具有高能效、长期稳定性和操作简单性。
近日，中国科学技术大学刘庆华、程位任和西南石油大学陈鑫等通过在Co SAC中设计了亲氧的Co位点，并将其与氧亲和力弱的Zn位点配对，合成了一种功能性的Co-Zn串联双原子位点催化剂(DAC)。其中Co位点作为高反应性活性中心用于ORR，而Zn位点作为开关大幅调节2e–ORR选择性。
原位XAFS和原位IR表征显示，Zn位点首先调制了Co位点的电子结构，抑制Co位点的4e–ORR途径活性；随着电位的下降，活性位点从Co切换到Zn，Zn和O之间强烈的反键电子云密度显著促进了中间解吸行为。
因此，Co-Zn DAC表现出高的H2O2选择性、周转频率(TOF)和H2O2产率，并打破了通常存在于2e–ORR系统中的活性-选择性平衡。
重要的是，Co-Zn DAC催化剂在100 mA cm-2下的H2O2产率高达10.5 mol gcat-1 h-1，同时产生的H2O2可直接用于有机物的高效降解。更重要的是，通过在具有4e–ORR途径倾向的Pt、Ni和Ru SAC中分别引入Zn位点后，它们的H2O2选择性显著增加，这一结果强烈支持了Zn开关位点在DAC中用于调节ORR选择性的普遍性。
总的来说，该项工作为H2O2电合成的分子尺度催化机制提供了一个新的视角，预计这种通过精确工程设计与开关位点配对的活性位点来打破活性-选择性权衡的策略可以应用于未来具有多种潜在途径的各种反应系统。
In situ identification of zinc sites as potential-dependent selectivity switch over dual-atom catalysts for H2O2 electrosynthesis. Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.5c01449
刘庆华，2009年获中国科学技术大学博士学位(导师：韦世强教授)，同年留校从事博士后研究(合作导师：谢毅院士)，2012年留校工作至今。安徽省杰出青年人才项目、安徽省自然科学一等奖、四川省自然科学三等奖获得者。主要从事发展同步辐射先进实验方法学及其在新型能源转换领域应用的研究工作。基于我国的同步辐射装置，发展表界面结构敏感的同步辐射X射线吸收精细结构谱学(XAFS)实验方法和固-液相光/电催化反应过程原位探测的同步辐射红外谱学(SRIR)实验技术，应用于燃料电池、水电解池和CO2还原等先进能源存储和转换系统的氧/碳/氮相关反应的动力学过程监测。发表论文200余篇，代表性成果以第一或通讯作者发表在Nat. Energy、Nat. Chemistry、Nat. Commun.、AM、JACS、Angew.等期刊。发表的论文总被引用17000余次，个人H因子为60(Google Scholar)。
程位任，中国科学技术大学化学与材料科学学院 特任教授，博士生导师。2010年本科毕业于中国科学技术大学，2015年在中国科学技术大学获得博士学位；2015-2019期间在中国科学技术大学工作，历任博士后研究员和特任副研；2019年至2024年，分别在新加坡南洋理工大学(合作导师：Prof. Xiongwen Lou)和日本北海道大学(合作导师：Prof.Kiyotaka Asakura)从事博士后研究工作。一直致力于原位催化表征技术发展及其在先进能源材料领域应用的研究，在原位同步辐射谱学联合实验方法发展、电化学固-液表界面能量转换动力学实时在线观测和先进催化材料精准构筑等方面开展了系统研究工作并取得一些重要成果。目前，已发表高质量SCI论文50余篇，其中第一/共一作者、通讯/共通讯作者论文30篇，包括Nat. Energy、Sci. Adv.、JACS、Angew.、Acc. Chem. Res.等。
陈鑫，工学博士，教授。现为西南石油大学科学技术发展研究院副院长，计算化学与分子模拟研究中心负责人，氢能高效开发青年科技创新团队带头人，九三学社四川省委科技专委会副主任、成都市委常委、西南石油大学委员会主委。主要从事能源转换与催化、理论与计算化学等领域的教学科研工作。近年来主持或参与国家级项目5项，省部级项目6项；在Applied Catalysis B、Energy Storage Materials、Nano Energy等国内外权威期刊上发表SCI论文100余篇。