Hydroxyl-blocking lignin-derived carbon catalysts for selective and durable hydrogen peroxide electrosynthesis

化学 催化作用 电合成 过氧化氢 碳化 电化学 碳纤维 电催化剂 氧气 羟基自由基 选择性 多相催化 无机化学 选择性还原 活性炭 功能群 有机化学 密度泛函理论 氧化还原
作者
Su Min Ahn,Seongho Lee,Ga-Been Lee,Logeshwaran Natarajan,Balaji Ravichandran,Nam Dong Kim,Sung-Soo Kim,Kitae Baek,Joonhee Kang,Hongseok Yun,Y. H. Lee
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:390: 126606-126606
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2026.126606
摘要

Metal-free oxygen-functionalized carbon materials are promising electrocatalysts for selective hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) production via the two-electron oxygen reduction reaction (ORR). However, specifically controlling oxygen moieties while maintaining scalability remains challenging. Herein, we present a scalable and sustainable Friedel–Crafts reaction-assisted carbonization strategy that converts lignin into oxygen-tunable carbon catalysts for efficient H 2 O 2 electrosynthesis. Electrochemical measurements reveal a strong correlation between carbonization temperature, oxygen speciation, and catalytic performance. Specifically, carbonyl and carboxyl groups enhance H 2 O 2 selectivity, while hydroxyl groups suppress H 2 O 2 formation by preferentially binding O* intermediates. Density functional theory corroborates these findings, indicating that carbonyl and carboxyl groups favor the two-electron pathway. Accordingly, selective blocking of hydroxyl groups achieves >95% H 2 O 2 selectivity, a production rate of 575.5 mmol g cat -1 h -1 at 0.4 V RHE , and stable operation for 40 h. This renewable, low-cost platform couples mechanistic control with scalable synthesis, potentially enabling decentralized H 2 O 2 generation in on-site disinfection and wastewater treatment. • Scalable Friedel–Crafts strategy enables oxygen-tunable metal-free carbon catalysts. • Carbonyl and carboxyl promote the 2e - ORR pathway, while hydroxyl groups suppress selectivity. • Hydroxyl blocking yields >95% H 2 O 2 selectivity with high H 2 O 2 productivity. • Life-cycle analysis confirms low environmental impact for decentralized H 2 O 2 production.
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