Oxygenated boron-doped carbon via polymer dehalogenation as an electrocatalyst for high-efficiency O2 reduction to H2O2

电催化剂 电化学 电解 表面改性 催化作用 化学 无机化学 碳纤维 电合成 卤化 化学工程 材料科学 电极 有机化学 物理化学 复合材料 复合数 电解质 工程类
作者
Yingna Chang,Jiawei Li,Jun Ma,Yu Liu,Rong Xing,Yaqun Wang,Guoxin Zhang
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:65 (5): 1276-1284 被引量:47
标识
DOI:10.1007/s40843-021-1891-2
摘要

The direct electrochemical synthesis of H2O2 from O2 is currently the most promising alternative to energy-intensive industrial anthraquinone oxidation/reduction methods. However, its widespread use is hampered by the lack of efficient low-cost electrocatalysts. In the current study, oxygenated boron-doped carbon (O-BC) materials were realized via a green synthetic strategy involving polymer dehalogenation and employed as electrode materials for the electrochemical synthesis of H2O2via a 2e− oxygen reduction. The catalytic activity of the O-BC materials was optimized through systematic variation of the boron source (H3BO3) dosage and annealing temperature. Electrochemical measurements revealed that the optimal sample (O-BC-2-650) exhibited a selectivity of 98% for the 2e− oxygen reduction to H2O2 and an average H2O2 production rate of 412.8 mmol gcat−1 h−1 in an H-type alkaline electrolyzer. Density functional theory simulations indicated that the functionalization of active B sites with one oxygen atom provides the lowest Gibbs free energy change (ΔG) of 0.03 eV for the hydrogenation of *O2, while functionalization with zero or two O atoms results in much larger ΔG values (0.08 and 0.10 eV, respectively). Thus, this work details a new type of green, low-cost, and metal-free electrocatalyst for H2O2 production.
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