Mimicking Metalloenzyme Microenvironments in the Transition Metal‐Single Atom Catalysts for Electrochemical Hydrogen Peroxide Synthesis in an Acidic Medium

化学 催化作用 过电位 过氧化氢 电化学 电催化剂 活动站点 无机化学 过渡金属 光化学 选择性 金属 物理化学 有机化学 电极
作者
Saravanakumar Muthusamy,Palani Sabhapathy,P. Raghunath,Amr Sabbah,Yu‐Chung Chang,Vimal Krishnamoorthy,Teh C. Ho,J. W. Chiou,M. C. Lin,Li‐Chyong Chen,Kuei‐Hsien Chen
出处
期刊:Small methods [Wiley]
卷期号:7 (10) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/smtd.202300234
摘要

Abstract Electrochemical reduction of oxygen into hydrogen peroxide in an acidic medium offers an energy‐efficient and green H 2 O 2 synthesis as an alternative to the energy‐intensive anthraquinone process. Unfortunately, high overpotential, low production rates, and fierce competition from traditional four‐electron reduction limit it. In this study, a metalloenzyme‐like active structure is mimicked in carbon‐based single‐atom electrocatalysts for oxygen reduction to H 2 O 2 . Using a carbonization strategy, the primary electronic structure of the metal center with nitrogen and oxygen coordination is modulated, followed by epoxy oxygen functionalities close to the metal active sites. In an acidic medium, CoNOC active structures proceed with greater than 98% H 2 O 2 selectivity (2e − /2H + ) rather than CoNC active sites that are selective to H 2 O (4e − /4H + ). Among all MNOC (M = Fe, Co, Mn, and Ni) single‐atom electrocatalysts, the CoNOC is the most selective (> 98%) for H 2 O 2 production, with a mass activity of 10 A g −1 at 0.60 V vs. RHE. X‐ray absorption spectroscopy is used to identify the formation of unsymmetrical MNOC active structures. Experimental results are also compared to density functional theory calculations, which revealed that the structure‐activity relationship of the epoxy‐surrounded CoNOC active structure reaches optimum (ΔG *OOH ) binding energies for high selectivity.
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