Oxygen-vacancy-type Mars–van Krevelen mechanism drives ultrafast dioxygen electroreduction to hydrogen peroxide

催化作用 材料科学 氧气 可逆氢电极 光化学 吸附 法拉第效率 过氧化氢 氧化物 电化学 电子转移 无机化学 化学工程 化学 电极 物理化学 有机化学 工作电极 冶金 工程类
作者
Shan Ding,Yu-Xiang Zhang,Fengqian Lou,Ming Li,Qi Huang,Kang Yang,Baokai Xia,Cheng Tang,Jingjing Duan,Markus Antonietti,Sheng Chen
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier BV]
卷期号:38: 101430-101430 被引量:29
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2023.101430
摘要

The electrochemical oxygen reduction reaction (ORR) along a two-electron transfer pathway has been considered as an eco-friendly route for producing hydrogen peroxide (H2O2). However, large-scale industrial application of this ORR technology calls for ultrafast and effective generation of H2O2 under operating conditions (current densities >1 A/cm2 and Faradaic efficiency ≈ 100%). This imposes strict criteria for exploring innovative strategies for enhancing the adsorption and activation of O2 under vigorous reaction condition, which represents a significant challenge thus far. Here, we report an 'oxygen-vacancy-type' Mars–van Krevelen mechanism for promoting ORR. Our theoretical calculations show that the structural oxygen vacancies of zinc oxide catalysts effectively alter the electron densities of nearby metal active sites, producing a more electron-deficient Zn center, which, in turn, assists the adsorption and activation of O2. A catalyst electrode designed as that exhibits superior ORR activities with a Faradaic efficiency of 98.1% at a current density of 1 A/cm2 (H2O2 yield rate of 621.88 mg/h/cm2). Further mechanism study has been performed through in situ Raman spectroscopy to monitor the adsorption and activation of oxygen intermediate (∗O2) of ORR, providing additional experimental evidence for the Mars–van Krevelen mechanism.
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