Continuous On-Site H2O2 Electrosynthesis via Two-Electron Oxygen Reduction Enabled by an Oxygen-Doped Single-Cobalt Atom Catalyst with Nitrogen Coordination

催化作用 选择性 电合成 无机化学 法拉第效率 氧气 材料科学 可逆氢电极 电化学 铂金 光化学 化学 电极 工作电极 物理化学 有机化学
作者
Bin Li,Minqiu Lan,Liangsheng Liu,Dong Wang,Shengxiong Yang,Yimin Sun,Fei Xiao,Junwu Xiao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (31): 37619-37628 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.3c09412
摘要

Single-Co atom catalysts are suggested as an efficient platinum metal group-free catalyst for promoting the oxygen reduction into water or hydrogen peroxide, while the relevance of the catalyst structure and selectivity is still ambiguous. Here, we propose a thermal evaporation method for modulating the chemical environment of single-Co atom catalysts and unveil the effect on the selectivity and activity. It discloses that nitrogen functional groups prefer to proceed the oxygen reduction via a 4e– pathway and notably improve the intrinsic activity, especially when being coordinated with the Co center, while oxygen doping tempts the electron delocalization around cobalt sites and decreases the binding force toward HOO* intermediates, thereby increasing the 2e– selectivity. Consequently, the well-designed oxygen-doped single-Co atom catalysts with nitrogen coordination deliver an impressive 2e– oxygen reduction performance, approaching the onset potential of 0.78 V vs RHE and selectivity of >90%. As an impressive cathode catalyst of an electrochemical flow cell, it generates H2O2 at a rate of 880 mmol gcat–1 h–1 and faradaic efficiency of 95.2%, in combination with an efficient nickel–iron oxygen evolution anode.
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