Dipole–Dipole Tuned Electronic Reconfiguration of Defective Carbon Sites for Efficient Oxygen Reduction into H2O2

催化作用 石墨烯 过氧化氢 碳纤维 法拉第效率 选择性 材料科学 偶极子 可逆氢电极 化学 碳纳米管 纳米技术 化学工程 电极 电化学 物理化学 有机化学 复合数 工作电极 复合材料 工程类
作者
Jiaxin Su,Lei Jiang,Bingbing Xiao,Zixian Liu,Heng Wang,Yongfa Zhu,Jun Wang,Xiaofeng Zhu
出处
期刊:Small [Wiley]
被引量:6
标识
DOI:10.1002/smll.202310317
摘要

Abstract Metal‐free carbon‐based materials are one of the most promising electrocatalysts toward 2‐electron oxygen reduction reaction (2e‐ORR) for on‐site production of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), which however suffer from uncontrollable carbonizations and inferior 2e‐ORR selectivity. To this end, a polydopamine (PDA)‐modified carbon catalyst with a dipole–dipole enhancement is developed via a calcination‐free method. The H 2 O 2 yield rate outstandingly reaches 1.8 mol g cat −1 h −1 with high faradaic efficiency of above 95% under a wide potential range of 0.4–0.7 V RHE , overwhelming most of carbon electrocatalysts. Meanwhile, within a lab‐made flow cell, the synthesized ORR electrode features an exceptional stability for over 250 h, achieved a pure H 2 O 2 production efficacy of 306 g kWh −1 . By virtue of its industrial‐level capabilities, the established flow cell manages to perform a rapid pulp bleaching within 30 min. The superior performance and enhanced selectivity of 2e‐ORR is experimentally revealed and attributed to the electronic reconfiguration on defective carbon sites induced by non‐covalent dipole–dipole influence between PDA and carbon, thereby prohibiting the cleavage of O–O in OOH intermediates. This proposed strategy of dipole–dipole effects is universally applicable over 1D carbon nanotubes and 2D graphene, providing a practical route to design 2e‐ORR catalysts.
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