Atomic-level tuning of Co–N–C catalyst for high-performance electrochemical H2O2 production

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作者
Euiyeon Jung,Heejong Shin,Byoung‐Hoon Lee,V. I. Efremov,Suhyeong Lee,Hyeon Seok Lee,Jiheon Kim,Wytse Hooch Antink,Subin Park,Kug‐Seung Lee,Sung‐Pyo Cho,Jong Suk Yoo,Yung‐Eun Sung,Taeghwan Hyeon
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:19 (4): 436-442 被引量:945
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0571-5
摘要

Despite the growing demand for hydrogen peroxide it is almost exclusively manufactured by the energy-intensive anthraquinone process. Alternatively, H2O2 can be produced electrochemically via the two-electron oxygen reduction reaction, although the performance of the state-of-the-art electrocatalysts is insufficient to meet the demands for industrialization. Interestingly, guided by first-principles calculations, we found that the catalytic properties of the Co–N4 moiety can be tailored by fine-tuning its surrounding atomic configuration to resemble the structure-dependent catalytic properties of metalloenzymes. Using this principle, we designed and synthesized a single-atom electrocatalyst that comprises an optimized Co–N4 moiety incorporated in nitrogen-doped graphene for H2O2 production and exhibits a kinetic current density of 2.8 mA cm−2 (at 0.65 V versus the reversible hydrogen electrode) and a mass activity of 155 A g−1 (at 0.65 V versus the reversible hydrogen electrode) with negligible activity loss over 110 hours. Producing H2O2 electrochemically currently use electrocatalysts that are insufficient to meet the demands for industrialization. A single-atom electrocatalyst with an optimized Co–N4 moiety incorporated in nitrogen-doped graphene is shown to exhibit enhanced performance for H2O2 production.
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