Rational Design Two‐ or Four‐Electron Reaction Pathway Covalent Organic Frameworks for Efficient and Selective Electrocatalytic Hydrogen Peroxide Production

过氧化氢 合理设计 化学 共价键 组合化学 电催化剂 光化学 电化学 有机化学 纳米技术 材料科学 电极 物理化学
作者
Jiayi Liu,Wenjing Zhang,Jin Shen,Liang Feng,Yao Yao,Qiang Peng
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:137 (15) 被引量:10
标识
DOI:10.1002/ange.202424720
摘要

Abstract Covalent organic frameworks (COFs) are often employed in oxygen reduction reactions (ORR) for hydrogen peroxide production due to their tunable structures and compositions. However, COF electrocatalysts require precise structural engineering, such as heteroatoms or metal site doping, to modulate the reaction pathway during the ORR process. In this work, we designed a tetraphenyl‐p‐phenylenediamine based COF electrocatalyst, namely TPDA‐BDA, which exhibited excellent two‐electron (2e) ORR performance with high H2O2 selectivity of 89.7 % and faraday efficiency (FE) of 86.7 %, higher than the reported COFs to date for H2O2 electrosynthesis. The theoretical and experimental results showed that the rate‐determining step energy barrier for reduction of O2 to OOH* intermediates was significantly reduced by replacing of bipyridine with biphenyl blocks, changing from 4e to 2e ORR reaction pathway. Also, the donor‐acceptor characteristic and narrower optical band gap of TPDA‐BDA COF enhanced the electronic conductivity and reduction ability, thus elevating the catalytic activity. As a result, the H2O2 selectivity was maintained above 85 % even after 50 h stability test. This work reveals the structure‐property relationship of COF electrocatalysts and provides a new strategy for rational design of high performance 2e ORR COF electrocatalysts for efficient and selective hydrogen peroxide production.
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