Impact of catalyst loading of atomically dispersed transition metal catalysts on H2O2 electrosynthesis selectivity

电合成 催化作用 过渡金属 选择性 材料科学 电催化剂 化学工程 纳米技术 无机化学 电化学 化学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
June Sung Lim,Jinjong Kim,Kug‐Seung Lee,Young Jin,Sang Hoon Joo
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier]
卷期号:444: 142031-142031
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2023.142031
摘要

Electrosynthesis of hydrogen peroxide (H2O2) via a two-electron oxygen reduction reaction (2e− ORR) has emerged as a promising alternative to the current anthraquinone process. Atomically dispersed transition metal catalysts (M–N/C catalysts; M=transition metal) have received particular attention as H2O2 electrosynthesis catalysts. Among the factors affecting catalytic properties, the catalyst loading on the electrode has significant impacts on the ORR activity and selectivity of M–N/C catalysts in particular and electrocatalysts in general. However, the loading effect has been largely neglected and underexplored in literature. In this study, we investigated the impacts of the catalyst loading and the metal center in M–N/C catalysts on the 2e− ORR activity and selectivity. We prepared a series of mesoporous carbons comprising M (Fe, Co, Ni)-based atomically dispersed species, meso‑M–N/C catalysts. At a fixed low catalyst loading, the meso‑Co–N/C and meso‑Ni–N/C catalysts exhibited the best 2e−ORR performance under acidic and alkaline electrolytes, respectively. At high catalyst loadings, the H2O2 production activity of the meso‑Co–N/C catalyst dramatically declined to ∼20% compared to that at the low loading. In the thick catalyst layer, the generated H2O2 is accumulated due to poor mass transport, leading to reduction and/or decomposition. In contrast, the H2O2 synthesis activity meso‑Ni–N/C catalyst was nearly insensitive to the catalyst loading, which can be ascribed to the high porosity and well-developed mesopores of the meso‑Ni–N/C catalyst, promoting mass transport.
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