Metal single-site catalyst design for electrocatalytic production of hydrogen peroxide at industrial-relevant currents

催化作用 电合成 法拉第效率 过氧化氢 析氧 制氢 材料科学 化学 电解质 无机化学 化学工程 纳米技术 电化学 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Peike Cao,Xie Quan,Xiaowa Nie,Kun Zhao,Yanming Liu,Shuo Chen,Hongtao Yu,Jingguang G. Chen
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:67
标识
DOI:10.1038/s41467-023-35839-z
摘要

Abstract Direct hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) electrosynthesis via the two-electron oxygen reduction reaction is a sustainable alternative to the traditional energy-intensive anthraquinone technology. However, high-performance and scalable electrocatalysts with industrial-relevant production rates remain to be challenging, partially due to insufficient atomic level understanding in catalyst design. Here we utilize theoretical approaches to identify transition-metal single-site catalysts for two-electron oxygen reduction using the *OOH binding energy as a descriptor. The theoretical predictions are then used as guidance to synthesize the desired cobalt single-site catalyst with a O-modified Co-(pyrrolic N) 4 configuration that can achieve industrial-relevant current densities up to 300 mA cm − 2 with 96–100% Faradaic efficiencies for H 2 O 2 production at a record rate of 11,527 mmol h − 1 g cat − 1 . Here, we show the feasibility and versatility of metal single-site catalyst design using various commercial carbon and cobalt phthalocyanine as starting materials and the high applicability for H 2 O 2 electrosynthesis in acidic, neutral and alkaline electrolytes.
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