Heteroatom-Coordinated Palladium Molecular Catalysts for Sustainable Electrochemical Production of Hydrogen Peroxide

化学 杂原子 催化作用 选择性 过电位 电化学 电催化剂 过氧化氢 组合化学 无机化学 光化学 有机化学 电极 物理化学 戒指(化学)
作者
Endalkachew Asefa Moges,Chia‐Yu Chang,Wei‐Hsiang Huang,Fikiru Temesgen Angerasa,Keseven Lakshmanan,Teklay Mezgebe Hagos,Habib Gemechu Edao,Woldesenbet Bafe Dilebo,Chih‐Wen Pao,Meng‐Che Tsai,Wei‐Nien Su,Bing‐Joe Hwang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.3c09644
摘要

Currently, hydrogen peroxide (H2O2) manufacturing involves an energy-intensive anthraquinone technique that demands expensive solvent extraction and a multistep process with substantial energy consumption. In this work, we synthesized Pd–N4-CO, Pd–S4–NCO, and Pd–N2O2–C single-atom catalysts via an in situ synthesis approach involving heteroatom-rich ligands and activated carbon under mild reaction conditions. It reveals that palladium atoms interact strongly with heteroatom-rich ligands, which provide well-defined and uniform active sites for oxygen (O2) electrochemically reduced to hydrogen peroxide. Interestingly, the Pd–N4–CO electrocatalyst shows excellent performance for the electrocatalytic reduction of O2 to H2O2 via a two-electron transfer process in a base electrolyte, exhibiting a negligible amount of onset overpotential and >95% selectivity within a wide range of applied potentials. The electrocatalysts based on the activity and selectivity toward 2e– ORR follow the order Pd–N4–CO > Pd–N2O2–C > Pd–S4–NCO in agreement with the pull–push mechanism, which is the Pd center strongly coordinated with high electronegativity donor atoms (N and O atoms) and weakly coordinated with the intermediate *OOH to excellent selectivity and sustainable production of H2O2. According to density functional theory, Pd–N4 is the active site for selectivity toward H2O2 generation. This work provides an emerging technique for designing high-performance H2O2 electrosynthesis catalysts and the rational integration of several active sites for green and sustainable chemical synthesis via electrochemical processes.
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