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Defective Carbon Electrocatalysts with Accessible Mesopores for Hydrogen Peroxide Synthesis

材料科学 介孔材料 碳化 催化作用 碳纤维 化学工程 掺杂剂 过氧化氢 杂原子 纳米技术 电化学 阳极 析氧 扩散 电催化剂 比表面积 电流密度 介孔二氧化硅 选择性 分解水 表面扩散 氧气 热扩散率 制氢 表面改性 氢氧化物 大规模运输
作者
Zhixuan Ma,Pengxuan Wu,Bingshuang Li,Suhua Mao,Qian Liu,Yafei Du,Ke Li,Zhen Xu,Xiaoxi Huang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 5654-5663
标识
DOI:10.1021/acsami.5c14798
摘要

The growing demand for green synthesis of hydrogen peroxide (H2O2) has fueled great interest in electrochemical synthesis via the oxygen reduction reaction (ORR). Carbon-based materials are an appealing class of electrocatalysts, offering the promise of tunable defects, heteroatom dopants, and controllable pore structures. However, increasing the accessibility of mesopores in carbon-based materials is challenging due to the restricted diffusion depth. In this study, we report the synthesis of a mesoporous carbon hollow shell with a big surface opening (C-750) and the nonhollow control material (C-750C). The hollow structure with a big surface opening facilitates rapid diffusion and transport of reactants and products through both its exterior and interior surfaces. This structure enables prompt reactant access to active sites and efficient product desorption, thereby yielding exceptional electrocatalytic ORR performance. In contrast, nonhollow mesoporous carbon materials rely solely on external surface diffusion, resulting in longer transport pathways, restricted accessibility to active sites, and product accumulation that diminishes reaction efficiency. In the rotating ring-disk electrode, C-750 demonstrates a higher diffusion-limited current density and higher H2O2 selectivity than C-750C, highlighting its superior mass transport efficiency due to the hollow structure as well as the large opening on the shell. In the flow cell, C-750 shows an industrial-level current density of ∼ -244 mA cm-2 at 0.28 V vs RHE, and the production rate of H2O2 is over 14.6 mol h-1 gcat-1. The density of edge defects, tailored by changing the carbonization temperature, works synergistically with oxygen dopants to enhance the catalytic performance, as confirmed by both theoretical simulations and experimental results.
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