Engineering Asymmetric Electronic Structure of Co─N─C Single‐Atomic Sites Toward Excellent Electrochemical H2O2 Production and Biomass Upgrading

电化学 生物量(生态学) 生产(经济) 材料科学 化学 电极 物理化学 地质学 海洋学 宏观经济学 经济
作者
Kun Yu,Shiyou Guan,Wenbiao Zhang,Wanling Zhang,Yuying Meng,Huaijun Lin,Qingsheng Gao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202502383
摘要

Abstract To advance electrochemical H 2 O 2 production and unravel catalytic mechanisms, the precise structural coordination of single‐atomic M‐N‐C electrocatalysts is urgently required. Herein, the Co─N 5 site with an asymmetric electronic configuration is constructed to boost the two‐electron oxygen reduction reaction (2e − ORR) compared to symmetric Co─N 4 , effectively overcoming the trade‐off between activity and selectivity in H 2 O 2 production. Both experimental and theoretical analyses demonstrate that breaking the symmetry of Co─N sites promotes the activation of O 2 molecules and moderates the adsorption of the key *OOH intermediate by disrupting the linear scaling relationship for intermediates adsorption. This modulation enables efficient H₂O₂ production and its effective retention for subsequent applications. As a proof of concept, Co─N 5 achieves a H 2 O 2 production rate as high as 16.1 mol g cat −1 h −1 in a flow cell, outperforming most recently reported counterparts. Furthermore, the coupling of 2e − ORR with the oxidation of cellulose‐derived carbohydrates accomplishes high formic acid yields (84.1% from glucose and 62.0%–92.1% from other substrates), underpinning the sustainable electro‐refinery for biomass valorization at ambient conditions. By elucidating the intrinsic relationship between 2e⁻ ORR and the asymmetry of single‐atomic sites, this work paves the way for high‐performance electrosynthesis.
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