Confined local oxygen gas promotes electrochemical water oxidation to hydrogen peroxide

过电位 催化作用 析氧 电化学 法拉第效率 氧气 选择性 化学工程 电解水 化学 电催化剂 过氧化氢 分解水 无机化学 电极 电解 光催化 有机化学 电解质 工程类 物理化学
作者
Chuan Xia,Seoin Back,Stefan Ringe,Kun Jiang,Fanhong Chen,Xiaoming Sun,Samira Siahrostami,Karen Chan,Haotian Wang
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:3 (2): 125-134 被引量:428
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0402-8
摘要

Electrochemical two-electron water oxidation is a promising route for renewable and on-site H2O2 generation as an alternative to the anthraquinone process. However, it is currently restricted by low selectivity due to strong competition from the traditional four-electron oxygen evolution reaction, as well as large overpotential and low production rates. Here we report an interfacial engineering approach, where by coating the catalyst with hydrophobic polymers we confine in situ produced O2 gas to tune the water oxidation reaction pathway. Using carbon catalysts as a model system, we show a significant increase of the intrinsic H2O-to-H2O2 selectivity and activity compared to that of the pristine catalyst. The maximal H2O2 Faradaic efficiency was enhanced by sixfold to 66% with an overpotential of 640 mV, under which a H2O2 production rate of 23.4 µmol min−1 cm−2 (75.2 mA cm−2 partial current) was achieved. This approach was successfully extended to nickel metal, demonstrating the wide applicability of our local gas confinement concept. Electrochemical 2e− water oxidation is a promising route for renewable H2O2 production but it suffers from low selectivity due to the competing 4e− process. Here the authors demonstrate an interfacial engineering approach where the catalyst is coated with a hydrophobic polymer to confine in situ produced O2 and promote the 2e− pathway.
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