Single-Atom Co–N4 Electrocatalyst Enabling Four-Electron Oxygen Reduction with Enhanced Hydrogen Peroxide Tolerance for Selective Sensing

化学 电催化剂 催化作用 过氧化氢 卟啉 氧气 光化学 无机化学 吸附 过氧化物 组合化学 电化学 电极 物理化学 有机化学
作者
Fei Wu,Cong Pan,Chun‐Ting He,Yunhu Han,Wenjie Ma,Huan Wei,Wenliang Ji,Wenxing Chen,Junjie Mao,Ping Yu,Dingsheng Wang,Lanqun Mao,Yadong Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (39): 16861-16867 被引量:265
标识
DOI:10.1021/jacs.0c07790
摘要

Electrocatalysis of the four-electron oxygen reduction reaction (ORR) provides a promising approach for energy conversion, storage, and oxygen monitoring. However, it is always accompanied by the reduction of hydrogen peroxide (H2O2) on most employed catalysts, which brings down the electrocatalytic selectivity. Here, we report a single-atom Co-N4 electrocatalyst for the four-electron ORR at an onset potential of 0.68 V (vs RHE) in neutral media while with high H2O2 tolerance, outperforming commercial Pt electrocatalysts. Electrochemical kinetic analysis confirms that the Co-N4 catalytic sites dominantly promote the direct four-electron pathway of the ORR rather than the two sequential two-electron reduction pathways with H2O2 as the intermediate. Density functional theory calculations reveal that H2O2 reduction is hampered by the weak adsorption of H2O2 on the porphyrin-like Co centers. This endows the electrocatalyst with improved resistance to current interference from H2O2, enabling highly selective O2 sensing as validated by the reliable sensing performance in vivo. Our study demonstrates the intriguing advantage of single-atom catalysts with high capacity for tailoring metal-adsorbate interactions, broadening their applications in environmental and life monitoring.
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