Origin of Selective Production of Hydrogen Peroxide by Electrochemical Oxygen Reduction

化学 催化作用 选择性 过氧化氢 电化学 吸附 无机化学 动力学 电极 光化学 过氧化物 物理化学 有机化学 量子力学 物理
作者
Xunhua Zhao,Yuanyue Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (25): 9423-9428 被引量:173
标识
DOI:10.1021/jacs.1c02186
摘要

Oxygen reduction reaction (ORR) is one of the most important electrochemical reactions. Starting from a common reaction intermediate *–O–OH, the ORR splits into two pathways, either producing hydrogen peroxide (H2O2) by breaking the *–O bond or leading to water formation by breaking the O–OH bond. However, it is puzzling why many catalysts, despite the strong thermodynamic preference for the O–OH breaking, exhibit high selectivity for hydrogen peroxide. Moreover, the selectivity is dependent on the potential and pH, which remain not understood. Here we develop an advanced first-principles model for effective calculation of the electrochemical reaction kinetics at the solid–water interface, which were not accessible by conventional models. Using this model to study representative catalysts for H2O2 production, we find that breaking the O–OH bond can have a higher energy barrier than breaking *–O, due to the rigidity of the O–OH bond. Importantly, we reveal that the selectivity dependence on potential and pH is rooted into the proton affinity to the former/later O in *–O–OH. For single cobalt atom catalyst, decreasing potential promotes proton adsorption to the former O, thereby increasing the H2O2 selectivity. In contrast, for the carbon catalyst, the proton prefers the latter O, resulting in a lower H2O2 selectivity in acid condition. These findings explain the experiments and highlight the kinetic origins of the selectivity. Our work improves the understanding of ORR by uncovering the proton affinity as a new factor and provides a new model to effectively simulate the atomic-level kinetics of heterogeneous electrochemistry.
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