Defective-Engineered ZnO Encapsulated in N-Doped Carbon for Sustainable 2e– ORR: Interfacial Zn–N Bond Regulated Oxygen Reduction Pathways

催化作用 密度泛函理论 选择性 石墨烯 氧气 化学 材料科学 无机化学 纳米技术 计算化学 有机化学
作者
Pan Xia,Tianwei He,Yong‐Min Liang,Xiaoguang Duan,Xi Chen,Zhong‐Shuai Zhu,Sheng Wang,Y. Liu,Qiang He,Zhihong Ye
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:14 (17): 12917-12927
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c02587
摘要

Zinc oxide (ZnO), although known for its stability and safety, has shown limited catalytic activity in the two-electron oxygen reduction reaction (2e– ORR). In this context, we synthesized a robust defective-engineered ZnO/N-doped graphene heterojunction (ZnO-NG) featuring abundant Zn–N bonds at the interface. The engineered composite exhibited a remarkable H2O2 yield of 13.1 mg h–1 cm–2 at 25 mA cm–2 with H2O2 selectivity of 85.0%, surpassing NG and ZnO counterparts. Furthermore, the exceptional long-term stability of ZnO-NG was validated through chronoamperometric measurements and 10 successive runs, highlighting its great potential for large-scale H2O2 synthesis. Density functional theory calculations and X-ray absorption near-edge structure analysis revealed that interfacial bridging N regulated the local electron distribution, transferring the unpaired electrons from Zn sites to the adjacent N/C atoms. The configuration facilitated the hydrogenation step of O2-to-OOH* and more importantly inhibited the O*-to–OH* conversion, thereby improving the selectivity in 2e– ORR toward water remediation.
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