Highly Selective Oxygen Electroreduction to Hydrogen Peroxide on Sulfur‐Doped Mesoporous Carbon

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作者
Juan Du,Yicheng Liu,Ming Sun,Jing Guan,Aibing Chen,Buxing Han
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (24): e202503385-e202503385 被引量:24
标识
DOI:10.1002/anie.202503385
摘要

As a paradigm-shifting material platform in energy catalysis, precisely engineered ordered mesoporous carbon spheres emerge as supreme metal-free electrocatalysts, outperforming conventional carbon-based counterparts through synergistic structural and electronic innovations. Herein, we architecturally design vertically aligned cylindrical mesoporous carbon spheres with atomic-level sulfur doping (S-mC) that establish unprecedented performance benchmarks in the two-electron oxygen reduction reaction (2e--ORR) to hydrogen peroxide. Systematic comparative studies reveal that the S-mC catalysts achieve exceptional H2O2 selectivity (>99%) and activity at current density of -3.5 mA cm-2, surpassing state-of-the-art metal-free catalysts in current density. Impressively, the optimized S-mC electrocatalyst in a flow cell device achieves an exceptional H2O2 yield of 25 mol gcatalyst -1 h-1. The carbon matrix's unique sp2/sp3 hybrid network coupled with S-induced charge redistribution generates electron-deficient hotspots that selectively stabilize *OOH intermediates, as evidenced by in situ spectroscopic characterization and DFT calculations. This structural-electronic synergy endows the carbon framework with metal-like catalytic efficiency while maintaining inherent advantages of chemical robustness and cost-effectiveness. The marriage of S-doping engineering with mesoscopic pore architecture control opens a new way for developing efficient carbon-based electrocatalysts for oxygen selective reduction to H2O2.
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