Two-Electron Oxygen Reduction on Carbon Materials Catalysts: Mechanisms and Active Sites

X射线光电子能谱 催化作用 吸附 碳纤维 氧气 金属 材料科学 化学 无机化学 化学工程 有机化学 物理化学 电化学 电极 复合材料 工程类 复合数
作者
Guoliang Chai,Zhufeng Hou,Takashi Ikeda,Kiyoyuki Terakura
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (27): 14524-14533 被引量:111
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.7b04959
摘要

Carbon materials based catalysts (CMCs) are extensively investigated to replace expensive noble metal catalysts (NMCs) for electrochemical oxygen reduction reaction (ORR). However, two issues are needed to be clarified for further development: ORR on CMCs produces more H2O2 via 2e– process than that for NMCs in acidic condition, and the active sites for ORR of CMCs are still under debate. H2O2 formation on NMCs was thought to be activated by O2 adsorption on metal surfaces. Contrarily, the results of present study indicate that an O2 molecule would approach the hydrogen site on CMCs to form an OOH– ion which subsequently reacts with H+ to form a H2O2. The calculated electrochemical potentials, kinetics, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) binding energy support well the new mechanism. Moreover, we found that the active sites for ORR are actually dependent on specific ORR process and the working potential range. The present work provides important insights into ORR for electrochemical devices.
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