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在化学合成、水处理及医疗领域中具有重要应用价值，其全球市场预计将在2027年超过40亿美元。传统的工业H
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制备方法—蒽醌工艺存在能源消耗高、污染等问题，因此寻找一种高效、清洁的替代方案成为了研究的热点。通过电化学合成H
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作为一种新型的可持续生产方式，具有显著的环保和经济优势。然而，目前的电催化剂和体系能效较低，限制了其工业化应用。
基于此，
北京大学郭少军教授团队
提出了一种氧功能基团调节的
p
区金属单原子催化剂策略，实现了在300 mA/cm²的电流密度下高达43%的能效，并且反应稳定性超过200小时。该研究以“Industrial electrosynthesis of hydrogen peroxide over p-block metal single sites”为题，发表在《Nature Synthesis》期刊上。
郭少军
，北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、北京高等学校卓越青年科学家、英国皇家化学会会士、全球高被引科学家（化学、材料）、爱思唯尔中国高被引学者（化学、材料）。长期从事电能源化学、材料与关键技术研究。。以通讯作者身份在Nature、Science、Nat. Synth. (4)、Nat. Mater.、Nat. Rev. Chem.、Nat. Rev. Mater.、CNS系列（30）、PNAS/JACS/AM/Angew等高影响力期刊发表学术论文，论文被引7.4万余次，h指数145。
1、该研究提出了通过氧功能基团调节金属单原子催化剂，特别是锡（Sn）单原子催化剂，优化了反应中H
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中间体的吸附强度，显著提高了能效（43%）。
2、使用Sn
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/C(O)催化剂在电解槽中实现了较低的电池电压（1.17V）和高的选择性（超过95%），突破了现有H
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电化学合成方法的能效瓶颈。
3、基于Sn
1
/C(O)催化剂的电解槽成本远低于传统市场价格（每吨约398美元），并且具有较低的能量消耗（1.7 kWh/kg H
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），显示出良好的商业化前景。
图1 展示了氢过氧化物电化学合成的技术经济分析。图中展示了电流密度、法拉第效率（FE）以及电解槽电压对氢过氧化物生产成本的影响。根据不同的电流密度和电价，图中的分析指出，在300 mA cm
−2
的电流密度下，氢过氧化物的生产成本明显低于市场最低价（每吨398美元），这表明电化学合成方法具备较高的工业应用潜力。通过调整反应参数，可以在电价波动的情况下有效控制生产成本，进一步推动氢过氧化物的商业化应用。
图2展示了氧还原反应（ORR）的理论预测，包括通过调节氧功能基团优化金属单原子催化剂的结构和性能。图中显示了不同氧基团数量的
p
区金属单原子催化剂（如Sn
1
/C(O)）的几何结构，以及2电子和4电子ORR路径下的Gibbs自由能（ΔG）。研究表明，通过引入氧功能基团，可以有效提升锡（Sn）位点的催化性能，进一步提高了氢过氧化物的选择性和生成速率。图中还展示了不同催化剂（如Sn
1
/C(O)、Sn
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/C和过渡金属催化剂）在ORR中的比较，验证了Sn
1
/C(O)催化剂在提高ORR选择性方面的优势
图3展示了Sn
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/C(O)催化剂的合成过程和结构表征。图中通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）展示了Sn
1
/C(O)催化剂的均匀分散情况。进一步通过X射线吸收精细结构（XANES）分析，揭示了锡单原子位点在碳氧化物（C(O)）基底上的分布特征。图中还展示了锡的K边X射线吸收光谱（XAS）和傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS），证实了锡原子在Sn
1
/C(O)催化剂中的存在并且未发生Sn–Sn聚集现象。这些表征结果为理解氧功能基团如何调节金属位点的电子结构提供了重要依据。
图4展示了Sn
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/C(O)催化剂在三电极系统中的电化学性能。图中对比了Sn
1
/C(O)与其他催化剂在不同电位下的氧还原反应（ORR）性能。特别是在0.9V至0.0V之间的电位区间，Sn
1
/C(O)催化剂展现了高氢过氧化物选择性和良好的法拉第效率（FE）。通过原位ATR-SEIRAS光谱检测，确认了OOH*中间体的生成，表明Sn
1
/C(O)催化剂在2电子ORR路径下能够有效催化氢过氧化物的生成。图中还展示了Sn
1
/C(O)催化剂在高电流密度下的表现，证明其在400 mA cm
−2
电流密度下仍能保持超过95%的氢过氧化物选择性。
图5展示了在双室电解槽中进行氢过氧化物电合成的实验结果。图中展示了不同电流密度下氢过氧化物的生产速率，显示了Sn
1
/C(O)催化剂在300 mA cm
−2
时的较高氢过氧化物选择性和能效（EE）。图中还展示了不同电流密度下的能量消耗（蓝色）和能效（红色），表明在300 mA cm
−2
下，Sn
1
/C(O)催化剂的能效达到43%，能量消耗为1.7 kWh/kg。长期稳定性测试表明，Sn
1
/C(O)催化剂能够在200小时内保持稳定的性能，证明其在工业规模下的可行性。
图6展示了氢过氧化物电合成过程中的能量消耗。图中通过对比不同pH值下氢过氧化物电合成的能效（EE）指标，显示该系统在碱性介质中的能效和电能消耗表现最佳。采用雷达图总结了多个性能指标，包括电流密度、法拉第效率（FE）、能效（EE）和能量消耗。该系统在碱性介质中达到了最佳的能效，且能量消耗较低，符合工业化生产的要求。
