Enzyme‐Inspired Single Selenium Site for Selective Oxygen Reduction

选择性 化学 催化作用 过氧化氢 部分 活动站点 铂金 光化学 电子转移 产量(工程) 无机化学 组合化学 立体化学 有机化学 材料科学 冶金
作者
Yucheng Wang,Pengyang Zhang,Xu Xia,W. Yu,Zhiyao Duan,Huan Huang,Tuo Wang,Gang Fu,Zhi‐You Zhou,Shi‐Gang Sun
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (8): e202418897-e202418897 被引量:11
标识
DOI:10.1002/anie.202418897
摘要

Abstract Learning from nature has garnered significant attention in the scientific community for its potential to inspire creative solutions in material or catalyst design. The study highlights the design of a biomimetic single selenium (Se) site‐modified carbon (C) moiety that retains the unique reactivity of selenoenzyme with peroxides, which plays crucial roles in selectively catalyzing the oxygen reduction reaction (ORR). The as‐designed Se−C demonstrates nearly 100 % 4‐electron selectivity, evidenced by 0.039 % of H 2 O 2 yield at 0.5 V versus reversible hydrogen electrode, outperforming commercial platinum (Pt) by 65 times. In situ X‐ray absorption spectroscopy and theoretical calculations attribute this exceptional selectivity to the enzyme‐like behaviors of the Se site to steal an O atom from peroxide intermediates. The second achievement is the significantly increased consecutive 2+2 electron selectivity. Benefiting from the enzyme‐like H 2 O 2 reduction activity with a higher onset potential of 0.915 V compared to Pt at 0.875 V, the Se−C as a secondary catalytic site reduced the H 2 O 2 yields of the Co−N−C, Fe−N−C, and N−C catalysts by 96 %, 67 %, and 98 %, respectively, via a consecutive 2+2 electron pathway. This also leads to more stable catalysts via protecting the active sites from oxidative attacks. This work establishes new pathways for precise tuning of reaction selectivity in ORR and beyond.
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