Selective Electrochemical Generation of Hydrogen Peroxide from Water Oxidation

过氧化氢 电化学 化学 电催化剂 选择性 催化作用 吸附 分解水 氧气 光化学 组合化学 无机化学 有机化学 电极 光催化 物理化学
作者
Venkatasubramanian Viswanathan,Heine Anton Hansen,Jens K. Nørskov
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:6 (21): 4224-4228 被引量:172
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.5b02178
摘要

Water is a life-giving source, fundamental to human existence, yet, over a billion people lack access to clean drinking water. Present techniques for water treatment such as piped, treated water rely on time and resource intensive centralized solutions. In this work, we propose a decentralized device concept that can utilize sunlight to split water into hydrogen and hydrogen peroxide. The hydrogen peroxide can oxidize organics while the hydrogen bubbles out. In enabling this device, we require an electrocatalyst that can oxidize water while suppressing the thermodynamically favored oxygen evolution and form hydrogen peroxide. Using density functional theory calculations, we show that the free energy of adsorbed OH$^*$ can be used as a descriptor to screen for selectivity trends between the 2e$^-$ water oxidation to H$_2$O$_2$ and the 4e$^-$ oxidation to O$_2$. We show that materials that bind oxygen intermediates sufficiently weakly, such as SnO$_2$, can activate hydrogen peroxide evolution. We present a rational design principle for the selectivity in electrochemical water oxidation and identify new material candidates that could perform H$_2$O$_2$ evolution selectively.
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