Operando Elucidation of Electrocatalytic and Redox Mechanisms on a 2D Metal Organic Framework Catalyst for Efficient Electrosynthesis of Hydrogen Peroxide in Neutral Media

电合成 化学 催化作用 氧化还原 无机化学 法拉第效率 可逆氢电极 过氧化氢 电催化剂 过电位 电化学 旋转环盘电极 电解质 吸附 光化学 电极 工作电极 有机化学 物理化学
作者
R. Dominic Ross,Hongyuan Sheng,Yujia Ding,Aurora N. Janes,Dawei Feng,J. R. Schmidt,Carlo U. Segre,Song Jin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (34): 15845-15854 被引量:77
标识
DOI:10.1021/jacs.2c06810
摘要

The practical electrosynthesis of hydrogen peroxide (H2O2) is hindered by the lack of inexpensive and efficient catalysts for the two-electron oxygen reduction reaction (2e- ORR) in neutral electrolytes. Here, we show that Ni3HAB2 (HAB = hexaaminobenzene), a two-dimensional metal organic framework (MOF), is a selective and active 2e- ORR catalyst in buffered neutral electrolytes with a linker-based redox feature that dynamically affects the ORR behaviors. Rotating ring-disk electrode measurements reveal that Ni3HAB2 has high selectivity for 2e- ORR (>80% at 0.6 V vs RHE) but lower Faradaic efficiency due to this linker redox process. Operando X-ray absorption spectroscopy measurements reveal that under argon gas the charging of the organic linkers causes a dynamic Ni oxidation state, but in O2-saturated conditions, the electronic and physical structures of Ni3HAB2 change little and oxygen-containing species strongly adsorb at potentials more cathodic than the reduction potential of the organic linker (Eredox ∼ 0.3 V vs RHE). We hypothesize that a primary 2e- ORR mechanism occurs directly on the organic linkers (rather than the Ni) when E > Eredox, but when E < Eredox, H2O2 production can also occur through Ni-mediated linker discharge. By operating the bulk electrosynthesis at a low overpotential (0.4 V vs RHE), up to 662 ppm of H2O2 can be produced in a buffered neutral solution in an H-cell due to minimized strong adsorption of oxygenates. This work demonstrates the potential of conductive MOF catalysts for 2e- ORR and the importance of understanding catalytic active sites under electrochemical operation.
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