Enhanced activity for the oxygen reduction reaction in microporous water

微型多孔材料 电催化剂 催化作用 水溶液 化学 化学工程 限制电流 分子 电解质 溶解度 无机化学 氧气 电化学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Agnes E. Thorarinsdottir,Daniel P. Erdosy,Cyrille Costentin,Jarad A. Mason,Daniel G. Nocera
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:6 (5): 425-434 被引量:68
标识
DOI:10.1038/s41929-023-00958-9
摘要

Electrocatalysis of small gas molecules driven by renewable energy sources offers a promising route to carbon-neutral fuels and chemicals. Such small-molecule conversion reactions rely on water as a source of protons and electrons, however, thus limiting energy and power densities owing to the low solubility of gas molecules in water. The oxygen reduction reaction (ORR) is an exemplar of such limitations. Here we demonstrate that the high O2-carrying capacity of aqueous solutions endowed with porosity arising from microporous nanocrystals with hydrophobic internal surfaces and hydrophilic external surfaces—termed microporous water—enhances ORR electrocatalysis in water. Use of silicalite-1 nanocrystals to form an O2-concentrating microporous electrolyte solution increases the ORR current so much that the activity of Pt, typically thought to be an ideal ORR catalyst, is partially limiting, thus allowing the intrinsic catalytic ORR activity of Pt to be measured directly. Electrocatalytic processes involving gas molecules are generally limited by low solubility in aqueous solutions. Here water endowed with permanent microporosity by silicalite-1 nanocrystals is used to concentrate O2, allowing the measurement of the intrinsic activity of a Pt/C catalyst in the oxygen reduction reaction.
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