二电子氧还原反应（2e
-
ORR）是分布式生产过氧化氢（
H
2
O
2
）的重要途径。在自然界中，含锰（Mn）中心的酶能够将活性氧物种转化为
H
2
O
2
。然而，基于Mn的2
e
-
ORR异相催化剂的报道却很少。本工作开发了一种
受自然启发的单原子电催化剂，该催化剂以碳点为调控平台构筑了N、O共配位的Mn位点（Mn CD/C）。
Mn CD/C表现出优异的2
e
-
ORR活性，起始电位为0.786 V，
H
2
O
2
的最大选择性达95.8%。值得注意的是，Mn CD/C在流动电池中以200 mA/
c
m
2
的电流密度连续运行50小时，稳定生成0.1 M的
H
2
O
2
溶液，活性及
H
2
O
2
的法拉第效率几乎没有衰减，展现出实际应用的潜力。Mn原子位点的引入可有效提升催化活性。理论计算表明，N、O共配位结构和碳点上丰富的含氧官能团，优化了Mn位点上*OOH中间体的结合强度，使其达到催化活性火山图的顶峰。该工作表明，碳点可以作为调控单原子催化剂微环境的平台，为合理设计仿酶催化剂提供了新思路。
过氧化氢（
H
2
O
2
）作为绿色氧化剂，在漂白、消毒、化工等领域中都有非常重要的应用。相比于传统的蒽醌法，电催化氧气还原生成
H
2
O
2
（2
e
-
ORR）避免了有机溶剂的大量使用和高浓度
H
2
O
2
溶液储存和运输的危险。其中，开发高效和高选择性的催化剂是十分重要的。生物体内锰超氧歧化酶（Mn-SOD）可有效将超氧自由基转化为
H
2
O
2
，其中Mn中心是由N和O共同配位的。但Mn基的异相催化剂用于2
e
-
ORR的报道仍较少。近日，
清华大学陈晨
教授、
彭卿
教授团队和
福州大学庄泽文
副教授合作，报道了在碳点上构筑的Mn单原子催化剂（Mn CD/C）。以碳点为调制平台，在碳基底和Mn的第一配位壳层引入氧物种，有效优化了Mn的电子结构和反应中间体*OOH的结合强度，提升了2
e
-
ORR的活性和选择性。本研究表明，碳点可作为单原子催化剂局域环境精细调控的平台。相关论文发表于
Angew. Chem. Int. Ed.
，第一作者为
曾媛
。
研究人员通过低温热解有机金属配合物，得到Mn掺杂的碳点材料（Mn CD）。AC HAADF-STEM中的亮点表明Mn CD中Mn呈原子级分散。通过吸附和低温煅烧，Mn CD进一步负载在商业碳载体上。AC HAADF-STEM中Mn CD/C表面粗糙，Mn、C、N、O均匀分布，表明Mn CD成功负载。
图1. 材料的制备示意图和电镜表征。
FT-IR和XPS结果共同表明，Mn CD上的主要官能团是羧基。XAFS结果表明Mn CD/C中Mn的配位环境为MnN
2
O
2
，与Mn-SOD中的配位环境相似。
图2. 材料的官能团表征及金属价态和配位环境的表征。
RRDE测试中，Mn CD/C具有最高的起始电位，在0.2–0.7 V电位区间内，
H
2
O
2
选择性均在90%以上。毒化实验表明Mn有助于在低过电位下活化氧气。流动池中，0.50–0.70 V的电位范围内，Mn CD/C的
H
2
O
2
法拉第效率保持在80%以上，
H
2
O
2
生成速率达8.68 mol/(
g
cat
•h)。在流动池中以200 mA/c
m
2
的电流密度可连续50 h产生0.1 M
H
2
O
2
溶液，活性和
H
2
O
2
法拉第效率几乎没有衰减，展示了实际应用的潜力。
图3. 材料的2
e
–
ORR的RRDE测试。
图4. 材料的流动池测试。
理论计算表明，在Mn的第一配位壳层引入氧原子降低了中间体*OOH的吸附强度（Δ
G
*OOH
），在碳基底上引入邻近的氧官能团可进一步优化Δ
G
*OOH
，逐步接近火山曲线的顶点。不同Mn位点构型对Δ
G
*OOH
