Efficient Electrosynthesis of Hydrogen Peroxide Using Oxygen-Doped Porous Carbon Catalysts at Industrial Current Densities

电合成 材料科学 过氧化氢 催化作用 电流(流体) 多孔性 碳纤维 氧气 兴奋剂 化学工程 无机化学 电化学 电极 有机化学 复合材料 化学 光电子学 物理化学 复合数 电气工程 工程类
作者
Senyuan Jia,Hongmei Yu,Jingchen Na,Zhicheng Liu,Kaiqiu Lv,Zhiwei Ren,Shucheng Sun,Zhigang Shao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.4c00042
摘要

Metal-free carbon catalysts (MFCCs) are one of the commonly used catalysts for electrocatalytic two-electron oxygen reduction (2e- ORR) synthesis of hydrogen peroxide (H2O2). Oxygen doping is an effective means to improve the performance of MFCCs, but the performance of oxygen-doped carbon catalysts is still not high enough, and the contribution of different oxygen functional groups (OFGs) to the catalytic performance is still inconclusive. In this paper, carbon-based catalysts with different oxygen contents and ratios of OFGs were prepared, and the high 2e- ORR activity of COOH + C-OH was demonstrated by combining the results of experiments and theoretical calculations. The prepared oxygen-doped carbon-based catalyst C-0.1M80 achieved an onset potential of 0.795 V (vs RHE), a selectivity of up to 98.2% (0.6 V vs RHE), and a H2O2 oxidation current of 1.33 mA cm-2 (0.5 V vs RHE) in a rotating ring-disk electrode test (0.1 M KOH solution), which was an outstanding performance in MFCCs. In a solid electrolyte flow cell, C-0.1M80 achieved a Faraday efficiency of 97.5% at 200 mA cm-2 with a corresponding H2O2 production rate of 123.7 mg cm-2 h-1. In addition, a flow cell stability test was performed at an industrial current density (100 mA cm-2) with an astounding 200 h of uninterrupted operation, also achieving an outstanding average Faradaic efficiency (95.8%).
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