Synergistic Effects in N,O‐Comodified Carbon Nanotubes Boost Highly Selective Electrochemical Oxygen Reduction to H2O2

碳纳米管 电催化剂 电化学 选择性 催化作用 材料科学 吸附 化学工程 可逆氢电极 氧气 煅烧 甲酰胺 无机化学 电极 化学 纳米技术 工作电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Shuming Xu,Ruihu Lu,Kang Sun,Jui-Hsiang Tang,Yaping Cen,Liang Luo,Ziyun Wang,Shubo Tian,Xiaoming Sun
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:9 (27) 被引量:24
标识
DOI:10.1002/advs.202201421
摘要

Abstract Electrochemical 2‐electron oxygen reduction reaction (ORR) is a promising route for renewable and on‐site H 2 O 2 production. Oxygen‐rich carbon nanotubes have been demonstrated their high selectivity (≈80%), yet tailoring the composition and structure of carbon nanotubes to further enhance the selectivity and widen working voltage range remains a challenge. Herein, combining formamide condensation coating and mild temperature calcination, a nitrogen and oxygen comodified carbon nanotubes (N,O‐CNTs) electrocatalyst is synthesized, which shows excellent selective (>95%) H 2 O 2 selectivity in a wide voltage range (from 0 to 0.65 V versus reversible hydrogen electrode). It is significantly superior to the corresponding selectivity values of CNTs (≈50% in 0–0.65 V vs RHE) and O‐CNTs (≈80% in 0.3–0.65 V vs RHE). Density functional theory calculations revealed that the C neighbouring to N is the active site. Introducing O‐related species can strengthen the adsorption of intermediates *OOH, while N‐doping can weaken the adsorption of in situ generated *O and optimize the *OOH adsorption energy, thus improving the 2‐electron pathway. With optimized N,O‐CNTs catalysts, a Janus electrode is designed by adjusting the asymmetric wettability to achieve H 2 O 2 productivity of 264.8 mol kg cat –1 h –1 .
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