Atomically Dispersed Iron Regulating Electronic Structure of Iron Atom Clusters for Electrocatalytic H2O2 Production and Biomass Upgrading

电催化剂 法拉第效率 选择性 化学 化学工程 催化作用 氧气 碳纤维 材料科学 无机化学 电化学 物理化学 有机化学 复合数 电极 复合材料 工程类
作者
Hui Xu,Shengbo Zhang,Xinyuan Zhang,Min Xu,Miaomiao Han,Lirong Zheng,Yunxia Zhang,Guozhong Wang,Haimin Zhang,Huijun Zhao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (52) 被引量:70
标识
DOI:10.1002/anie.202314414
摘要

The integration of highly active single atoms (SAs) and atom clusters (ACs) into an electrocatalyst is critically important for high-efficiency two-electron oxygen reduction reaction (2e- ORR) to hydrogen peroxide (H2 O2 ). Here we report a tandem impregnation-pyrolysis-etching strategy to fabricate the oxygen-coordinated Fe SAs and ACs anchored on bacterial cellulose-derived carbon (BCC) (FeSAs/ACs-BCC). As the electrocatalyst, FeSAs/ACs-BCC exhibits superior electrocatalytic activity and selectivity toward 2e- ORR, affording an onset potential of 0.78 V (vs. RHE) and a high H2 O2 selectivity of 96.5 % in 0.1 M KOH. In a flow cell reactor, the FeSAs/ACs-BCC also achieves high-efficiency H2 O2 production with a yield rate of 12.51±0.18 mol gcat-1 h-1 and a faradaic efficiency of 89.4 %±1.3 % at 150 mA cm-2 . Additionally, the feasibility of coupling the produced H2 O2 and electro-Fenton process for the valorization of ethylene glycol was explored in detail. The theoretical calculations uncover that the oxygen-coordinated Fe SAs effectively regulate the electronic structure of Fe ACs which are the 2e- ORR active sites, resulting in the optimal binding strength of *OOH intermediate for high-efficiency H2 O2 production.
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