Precursor‐Mediated Direct Growth of Defect‐Rich Hierarchical Nanocarbons for Electrocatalytic Hydrogen Peroxide Production†

化学 电催化剂 催化作用 法拉第效率 电化学 选择性 成核 纳米技术 化学工程 拓扑(电路) 物理化学 有机化学 电极 材料科学 工程类 组合数学 数学
作者
Xiaoting Sun,Tiantian Lu,Jialei Chen,Youzeng Li,Shan Chen,Xuelong Liao,Ying Liu,Runyu Lv,Huan Wang
出处
期刊:Chinese Journal of Chemistry [Wiley]
卷期号:42 (23): 3113-3121 被引量:1
标识
DOI:10.1002/cjoc.202400455
摘要

Comprehensive Summary Carbon‐based nanomaterials show great potential in selective electrochemical oxygen reduction reaction (ORR) through two‐electron (2e − ) pathway for H 2 O 2 production, which provides an eco‐friendly alternative to industrial energy‐intensive anthraquinone process. However, it still remains challenging to directly construct topological defects, which makes it difficult to study the working mechanism on 2e – ORR. Herein, we propose a precursor‐mediated chemical vapor deposition (CVD) approach for direct growth of topological defect‐rich hierarchical nanocarbons. Boric acid (H 3 BO 3 ) is introduced into the precursor for disturbing the nucleation and growth through decomposing B‐containing species, which can in situ induce the formation of pentagon defects. The topological defect is found to be capable of introducing lattice strain, which can modify the electronic structure of nanocarbons and promote the key intermediate (*OOH) formation, thus greatly enhancing the 2e – ORR performance. Experimentally, the 2e – ORR selectivity shows a positive correlation to the topological defect density, where the average H 2 O 2 selectivity reaches above 90% over a wide potential range with optimized concentration of H 3 BO 3 as mediator. Moreover, in a flow cell, the hierarchical nanocarbons achieve a high H 2 O 2 production rate of 998 mmol·g catalyst −1 ·h −1 over 20 h of continuous electrocatalysis with stable current density (>100 mA·cm –2 ) and Faradaic efficiency (> 90%). This work provides a straightforward method for the synthesis of active metal‐free carbon‐based catalyst for sustainable H 2 O 2 production.

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