一、研究背景

传统蒽醌法制备过氧化氢能耗高、储运存在安全隐患；电催化二电子氧还原（2e⁻ORR）可现场原位产 H₂O₂，是绿色环保路线。

现有催化材料存在痛点：多数金属 / 碳基催化剂易走四电子副反应，H₂O₂选择性低；MOF、COF 制备条件苛刻；氢键有机框架（HOF）合成温和、氢键网络利于电荷传输，但缺少精准金属活性位点，催化性能受限。

本文理论先筛选 Mn/Fe/Co/Ni/Cu/Zn 六种金属，证明 ** 不对称 Zn-N₂O 配位 HOF（Zn-HOF）** 可精准调控中间体吸附，实现超高 H₂O₂选择性，同时完成流动电解池、一体化污水降解反应器验证。

二、材料制备与结构表征

以三聚氰胺、氰尿酸构筑纯 HOF 基底，常温液相引入 Zn 离子制备 Zn-HOF，负载量 1.57 wt%。

👇 配图 1：Zn-HOF 制备流程、XRD 精修、固体核磁、TEM 与 HAADF 元素分布

XRD、固态核磁证明 Zn 掺杂不破坏 HOF 原有层状氢键骨架；

HAADF-STEM、EDS 证实 Zn 元素均匀分散；

XPS、XANES、FT-EXAFS 联合验证活性位点为不对称 Zn-N₂O 配位（Zn 配位数 N≈2、O≈1.35，无 Zn-Zn 金属键）。

👇 配图 2：C/N/O/Zn XPS 谱、Zn 同步辐射 XANES/EXAFS 与小波变换分析

火山图结果：Zn-HOF 对 * OOH 吸附强度适中，位于最优区间，四电子反应能垒高达 1.20 eV，大幅抑制副反应；

COHP 计算：Zn 位点吸附时 O-O 键稳定性更强，利于 * OOH 脱附生成 H₂O₂；

AIMD 分子动力学模拟：HOF 氢键网络稳定，水分子易靠近 Zn 活性中心，反应过程骨架无坍塌。

👇 配图 3：不同金属 HOF 火山曲线、能垒图、电荷差分、分子动力学模拟

0.1 M KOH 碱性、0.1 M K₂SO₄中性双体系测试：

碱性条件 H₂O₂最高选择性 96%，转移电子数≈2；

流动电解池大电流下稳定产率，自来水、天然湖水体系法拉第效率仍可达 86%、89%；

2000 圈循环性能衰减极小，溶锌量仅 0.026 ppm，结构稳定性优异。

👇 配图 4：RRDE 曲线、选择性、流动池产率、天然水体测试

原位 ATR-IR、原位拉曼捕获 1110 cm⁻¹ 特征 * OOH 中间体信号，同位素 ¹⁸O 标记峰偏移进一步佐证反应路径。

自研三明治夹层反应器，利用原位生成 H₂O₂产羟基自由基降解有机污染物：

可高效降解罗丹明 B、亚甲基蓝、磺胺甲恶唑、环丙沙星、四环素；

1 h 内多种抗生素降解率超 83%，降解中间体毒性显著下降；

能耗仅 0.87 kWh・m⁻³，单电极成本仅商用铂电极 1/32；

电解产电单元可串联供电，适配无外接电源野外污水治理场景。

👇 配图 5：原位光谱、污染物降解曲线、三明治反应器、能耗成本对比

首次在 HOF 体系构建不对称 Zn-N₂O 单位点，通过配位调控实现 * OOH 最优吸附平衡；

材料合成条件温和、骨架稳定，酸碱 / 天然水体均可高效产过氧化氢；

实现 “电产氧化剂 + 污水降解” 一体化，反应器低成本、低能耗，具备实际工程价值；

为氢键有机框架应用于环境电催化、原位高级氧化水处理提供全新设计范式。

免责声明：素材来源于网络，仅供学术交流，侵删。由于小编水平有限，文献解读如有疏漏、错误之处还请各位读者批评指正。如需投稿，请联系我们