Optimizing the binding of the *OOH intermediate via axially coordinated Co-N5 motif for efficient electrocatalytic H2O2 production

催化作用 过氧化氢 化学 电化学 选择性 质子化 过氧化物 组合化学 无机化学 有机化学 物理化学 电极 离子
作者
Lina Yan,Chao Wang,Yueshuai Wang,Yahui Wang,Zhaozhao Wang,Lirong Zheng,Yue Lu,Ru‐Zhi Wang,Ge Chen
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:338: 123078-123078 被引量:71
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123078
摘要

Electrochemical production of hydrogen peroxide (H2O2) is a sustainable and environmentally benign process. The electrochemical oxygen reduction process (ORR) via a two electron pathway (2e- ORR) offers a practical method for on-site H2O2 generation. As an earth-abundant catalyst, the cobalt-nitrogen coordinated systems integrated into the carbon matrix (Co-NC) has caused wide attention for its high activity in 2e- ORR. Even though most of the reported Co-NC catalysts have classical planar Co-N4 coordination, axial coordination engineering has recently emerged as an effective way to control the active sites in the axial direction by using different coordination ligands. The structure-function link between the Co-N configuration of non-planar coordination and 2e- ORR activity is, however, not fully understood. An axial-N coordinated Co-N5 motif embedded in hierarchically porous graphite-3R carbon (Co-N5C) was effectively synthesized using a template-sacrificing method. The Co-N5C has a high selectivity for 2e- ORR and a high H2O2 molar production rate of up to 6.78 mol peroxide/gcatalyst/h in acidic media, both of which are better than its Co-N4 counterpart. DFT analyses demonstrate that axial-N ligands regulated the d-band center of the Co atom in the Co-N5C catalyst, inducing a shift in ΔG*OOH near the Sabatier volcano plot's peak (ΔG*OOH = 4.22 eV). This optimized the binding of the *OOH intermediate and then enhanced the protonation of *OOH to produce H2O2 more efficiently.
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