Efficient hydrogen peroxide generation using reduced graphene oxide-based oxygen reduction electrocatalysts

石墨烯 电催化剂 过氧化氢 氧化物 催化作用 化学 过氧化物 材料科学 电化学 无机化学 电极 纳米技术 有机化学 物理化学
作者
Hyo Won Kim,Michael B. Ross,Nikolay Kornienko,Liang Zhang,Jinghua Guo,Peidong Yang,Bryan D. McCloskey
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:1 (4): 282-290 被引量:943
标识
DOI:10.1038/s41929-018-0044-2
摘要

Electrochemical oxygen reduction has garnered attention as an emerging alternative to the traditional anthraquinone oxidation process to enable the distributed production of hydrogen peroxide. Here, we demonstrate a selective and efficient non-precious electrocatalyst, prepared through an easily scalable mild thermal reduction of graphene oxide, to form hydrogen peroxide from oxygen. During oxygen reduction, certain variants of the mildly reduced graphene oxide electrocatalyst exhibit highly selective and stable peroxide formation activity at low overpotentials (<10 mV) under basic conditions, exceeding the performance of current state-of-the-art alkaline catalysts. Spectroscopic structural characterization and in situ Raman spectroelectrochemistry provide strong evidence that sp2-hybridized carbon near-ring ether defects along sheet edges are the most active sites for peroxide production, providing new insight into the electrocatalytic design of carbon-based materials for effective peroxide production. Electrochemical routes for the production of hydrogen peroxide would reduce the waste inherent in the current anthraquinone process, and also make distributed and on-site production more feasible. Here, inexpensive reduced graphene oxide is proven to be a stable and selective catalyst for oxygen reduction at remarkably low overpotentials.
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