O modified N-doped carbon nanotubes enhanced 2e- oxygen reduction reaction via antibonding activation for efficient antibactrial in netural media

反键分子轨道 催化作用 碳纳米管 过氧化氢 氧气 氧化剂 化学工程 材料科学 石墨烯 活性氧 光化学 化学 纳米技术 有机化学 物理 工程类 电子 量子力学 原子轨道 生物化学
作者
Kexin Yan,Yingnan Qin,Junjie Xue,Jing Wang,Guoqing Wang,Ning Wang,Yongbao Chu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:484: 149363-149363 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.149363
摘要

Hydrogen peroxide (H2O2), as a green and renewable environmental protection oxidizing agent, is widely used in chemical synthesis, paper bleaching, sterilization and other industries. The production of H2O2 by two-electron oxygen reduction reaction (2e- ORR) is a promising alternative to the industrial anthraquinone process. In this study, oxygen modified nitrogen-doped carbon nanotubes (O-NCNTs-6) catalyst was prepared for the highly selective ORR to convert H2O2 in neutral media. Notably, the H2O2 selectivity of O-NCNTs-6 is up to 90 %, and the H-cell test exhibits a high H2O2 production rate (about 1035 mmol gcat-1h−1) with excellent bactericidal efficiency (>90 %). Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the antibonding orbitals of O2 can acquire electrons from the as-prepared O-NCNTs-6, thereby facilitating activation of the O-O bond and enhancing the feasibility of the 2e- ORR reaction. Experiments and DFT calculations further confirm that in addition to H2O2, reactive oxygen species (ROS) such as OH and ·O2– produced during the catalytic process play an important role in the sterilization process. This work provides an effective strategy for the design of 2e- ORR catalysts and provides a green and potential electrocatalytic antifouling technology for the antibacterial antifouling field.
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