Rationally Designing Efficient Biomass Carbon Electrocatalysts for H2O2 Synthesis and Near-Neutral Zn–Air Batteries with Preliminary Machine Learning Guidance

材料科学 碳纤维 生物量(生态学) 纳米技术 化学工程 复合材料 复合数 海洋学 工程类 地质学
作者
Jiawei He,Zijun Shen,Shengchun Hu,Yuying Zhao,Qixin Yuan,Yuhan Wu,Kang Sun,Shule Wang,Jianchun Jiang,Mengmeng Fan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (16): 23937-23947 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.5c00377
摘要

Biomass-based carbon materials are considered promising metal-free catalysts for the 2e- oxygen reduction reaction (ORR) to synthesize H2O2 and act as air electrodes in Zn-air batteries. However, optimization of the catalyst structure is a complex process due to the diversity of biomass precursors and synthesis parameters. Machine learning, a new artificial intelligence technology, has recently been used in various fields owing to its ability to rapidly analyze large amounts of data and guide material synthesis. Consequently, we constructed a machine learning model based on previously reported experimental data and guided the fabrication of a boron-doped biomass carbon catalyst for the 2e- ORR. The achieved catalytic performance exceeded most reported ORR catalysts in terms of H2O2 selectivity (90-95% in broad potentials of 0.30-0.68 V vs reversible hydrogen electrode), stability (maintaining over 90% selectivity for 12 h), yield (3450 mmol gcatalyst-1 h-1), and Faraday efficiency (over 90%). We applied the catalysts to Zn-air batteries and showed a high capacity (2856 mAh g-1) and stability twice that of traditional commercial metal catalysts. Therefore, this study proposed an effective machine learning model to guide the fabrication of biomass-based catalysts in the field of electrocatalysis.
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