High-efficiency oxygen reduction to hydrogen peroxide catalysed by oxidized carbon materials

过氧化氢 催化作用 氧气 电化学 选择性 蒽醌 氧化还原 化学 碳纤维 过氧化物 无机化学 光化学 有机化学 材料科学 电极 物理化学 复合数 复合材料
作者
Zhiyi Lu,Guangxu Chen,Samira Siahrostami,Zhihua Chen,Kai Liu,Jin Xie,Lei Liao,Tong Wu,Dingchang Lin,Yayuan Liu,Thomas F. Jaramillo,Jens K. Nørskov,Yi Cui
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:1 (2): 156-162 被引量:1382
标识
DOI:10.1038/s41929-017-0017-x
摘要

Hydrogen peroxide (H2O2) is a valuable chemical with a wide range of applications, but the current industrial synthesis of H2O2 involves an energy-intensive anthraquinone process. The electrochemical synthesis of H2O2 from oxygen reduction offers an alternative route for on-site applications; the efficiency of this process depends greatly on identifying cost-effective catalysts with high activity and selectivity. Here, we demonstrate a facile and general approach to catalyst development via the surface oxidation of abundant carbon materials to significantly enhance both the activity and selectivity (~90%) for H2O2 production by electrochemical oxygen reduction. We find that both the activity and selectivity are positively correlated with the oxygen content of the catalysts. The density functional theory calculations demonstrate that the carbon atoms adjacent to several oxygen functional groups (–COOH and C–O–C) are the active sites for oxygen reduction reaction via the two-electron pathway, which are further supported by a series of control experiments. The direct synthesis of hydrogen peroxide via oxygen reduction is an attractive alternative to the anthraquinone process. Here, a general trend linking oxygenation of carbon surfaces with electrocatalytic performance in peroxide synthesis is demonstrated, and computational studies provide further insight into the nature of the active sites.
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