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Metalloenzyme‐Inspired Cluster Fabrication within Mesoporous Channels Featuring Optimized Catalytic Microenvironments for Efficient Neutral pH H2O2 Electrosynthesis

电合成 介孔材料 材料科学 催化作用 纳米技术 电催化剂 法拉第效率 纳米团簇 化学工程 电解质 组合化学 电极 物理化学 电化学 有机化学 化学 工程类
作者
Qiang Tian,Wenyi Wang,Lingyan Jing,Xieshu Ye,Yan Kong,Xiaojing Huang,Aokang Li,Zehua Zheng,Xue Zhang,Qi Hu,Hengpan Yang,Chuanxin He
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/adma.202503169
摘要

Abstract In nature, some metalloenzymes facilitate highly efficient catalytic transformations of small molecules, primarily attributed to the effective coupling between their metal cluster active sites and the surrounding microenvironment. Inspired by this, a thermotropic redispersion strategy to incorporate bismuth nanoclusters (Bi NCs) into mesoporous channels, mimicking metalloenzyme‐like catalysis to enhance the two‐electron oxygen reduction reaction (2e − ORR) for efficient neutral pH H 2 O 2 electrosynthesis, is developed. This model electrocatalyst exhibits exceptional 2e − ORR performance with >95% H 2 O 2 selectivity across 0.2–0.6 V vs RHE in neutral electrolyte. Notably, the system produces up to 7.2 wt% neutral H 2 O 2 solution at an industrially relevant current density of ≈320 mA cm −2 , with 90% Faradaic efficiency for H 2 O 2 over 120 h in a flow cell, demonstrating significant practical potential. Mechanistic insights reveal that the introduction of Bi NCs enhances the adsorption of the *OOH intermediate, facilitating a highly active 2e − ORR process. Moreover, the mesoporous channels of the carbon support create a favorable catalytic microenvironment for O 2 aeration and local alkalinity, further boosting H 2 O 2 productivity. This catalyst design mimics metalloenzymes by optimal integration of the active site with the surrounding microenvironment, offering valuable insights for the rational design of nature‐inspired small‐molecule catalysts.
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