Single-atom CoN4 sites with elongated bonding induced by phosphorus doping for efficient H2O2 electrosynthesis

电合成 催化作用 选择性 杂原子 兴奋剂 电解质 材料科学 金属 可逆氢电极 化学 无机化学 电化学 光电子学 物理化学 工作电极 有机化学 电极 戒指(化学)
作者
Jingjing Liu,Zengxi Wei,Zhichao Gong,Minmin Yan,Yongfeng Hu,Shuangliang Zhao,Gonglan Ye,Huilong Fei
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:324: 122267-122267 被引量:90
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2022.122267
摘要

Modification of the microenvironment of metal- and nitrogen-coordinated nanocarbons (M-N-Cs) is critical in regulating their electronic structure and thus catalytic selectivity toward the oxygen reduction reaction (ORR). Introducing heteroatoms into the carbon matrix of M-N-Cs could affect the coordination configuration and charge density of the metal centers, but it has rarely been applied to improve the ORR selectivity for H2O2 electrosynthesis. Here we show that doping phosphorus (P) atoms into the carbon substrate of a Co-N-C catalyst lengthens the Co−N bond, decreases the electron density of the Co, and weakens the adsorption strength of the key *OOH intermediate on the active sites, as demonstrated by both experimental and theoretical results. Consequently, this P-doped Co-N-C catalyst presents outstanding catalytic performance toward the 2e− ORR with an early onset potential of 0.81 V (vs. the reversible hydrogen electrode), exceptional H2O2 selectivity above 90% in a wide potential range from 0.1 V to 0.7 V (maximum value of ∼ 97% at 0.5 V) and a large turnover frequency (2.36 ± 0.15 s−1 at 0.65 V) in alkaline electrolyte, superior to almost all previously reported counterparts. Moreover, an unprecedented H2O2 production rate up to 11.2 molH2o2gcatalyst−1h−1 with long-term durability (110 h) is obtained when the catalyst is assessed as a gas diffusion layer in a practical flow cell.
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