An Atomically Dispersed Mn-Photocatalyst for Generating Hydrogen Peroxide from Seawater via the Water Oxidation Reaction (WOR)

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作者
Peng Ren,Tong Zhang,Noopur Jain,H. Y. Vincent Ching,Aleksander Jaworski,Giovanni Barcaro,Susanna Monti,Joaquín Silvestre-Alberó,Verónica Celorrio,Lata Chouhan,Anna Rokicińska,Elke Debroye,Piotr Kuśtrowski,Sabine Van Doorslaer,Sandra Van Aert,Sara Bals,Shoubhik Das
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (30): 16584-16596 被引量:171
标识
DOI:10.1021/jacs.3c03785
摘要

In this work, we have fabricated an aryl amino-substituted graphitic carbon nitride (g-C3N4) catalyst with atomically dispersed Mn capable of generating hydrogen peroxide (H2O2) directly from seawater. This new catalyst exhibited excellent reactivity, obtaining up to 2230 μM H2O2 in 7 h from alkaline water and up to 1800 μM from seawater under identical conditions. More importantly, the catalyst was quickly recovered for subsequent reuse without appreciable loss in performance. Interestingly, unlike the usual two-electron oxygen reduction reaction pathway, the generation of H2O2 was through a less common two-electron water oxidation reaction (WOR) process in which both the direct and indirect WOR processes occurred; namely, photoinduced h+ directly oxidized H2O to H2O2 via a one-step 2e- WOR, and photoinduced h+ first oxidized a hydroxide (OH-) ion to generate a hydroxy radical (OH), and H2O2 was formed indirectly by the combination of two OH. We have characterized the material, at the catalytic sites, at the atomic level using electron paramagnetic resonance, X-ray absorption near edge structure, extended X-ray absorption fine structure, high-resolution transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, magic-angle spinning solid-state NMR spectroscopy, and multiscale molecular modeling, combining classical reactive molecular dynamics simulations and quantum chemistry calculations.
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