Building and identifying highly active oxygenated groups in carbon materials for oxygen reduction to H2O2

密度泛函理论 催化作用 选择性 蒽醌 基面 化学 产量(工程) 纳米结构 碳纤维 纳米技术 组合化学 材料科学 有机化学 计算化学 结晶学 复合材料 冶金 复合数
作者
Gao‐Feng Han,Feng Li,Wei Zou,Mohammadreza Karamad,Jong‐Pil Jeon,Seong‐Wook Kim,Seok‐Jin Kim,Yunfei Bu,Zhengping Fu,Yalin Lu,Samira Siahrostami,Jong‐Beom Baek
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:11 (1) 被引量:398
标识
DOI:10.1038/s41467-020-15782-z
摘要

Abstract The one-step electrochemical synthesis of H 2 O 2 is an on-site method that reduces dependence on the energy-intensive anthraquinone process. Oxidized carbon materials have proven to be promising catalysts due to their low cost and facile synthetic procedures. However, the nature of the active sites is still controversial, and direct experimental evidence is presently lacking. Here, we activate a carbon material with dangling edge sites and then decorate them with targeted functional groups. We show that quinone-enriched samples exhibit high selectivity and activity with a H 2 O 2 yield ratio of up to 97.8 % at 0.75 V vs. RHE. Using density functional theory calculations, we identify the activity trends of different possible quinone functional groups in the edge and basal plane of the carbon nanostructure and determine the most active motif. Our findings provide guidelines for designing carbon-based catalysts, which have simultaneous high selectivity and activity for H 2 O 2 synthesis.
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