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

催化作用 过氧化氢 金属 生产(经济) 材料科学 化学 冶金 有机化学 宏观经济学 经济
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 [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:185
标识
DOI:10.1038/s41467-023-35839-z
摘要

Direct hydrogen peroxide (H2O2) 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 H2O2 production at a record rate of 11,527 mmol h-1 gcat-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 H2O2 electrosynthesis in acidic, neutral and alkaline electrolytes.
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