Boosting electrochemical oxygen reduction to hydrogen peroxide coupled with organic oxidation

过氧化氢 催化作用 电化学 化学 乙二醇 电解质 无机化学 纳米片 可逆氢电极 电极 工作电极 有机化学 物理化学
作者
Yining Sun,Kui Fan,Jinze Li,Lei Wang,Yusen Yang,Zhenhua Li,Mingfei Shao,Xue Duan
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1): 6098-6098 被引量:87
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50446-2
摘要

Abstract The electrochemical oxygen reduction reaction (ORR) to produce hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is appealing due to its sustainability. However, its efficiency is compromised by the competing 4e − ORR pathway. In this work, we report a hierarchical carbon nanosheet array electrode with a single-atom Ni catalyst synthesized using organic molecule-intercalated layered double hydroxides as precursors. The electrode exhibits excellent 2e − ORR performance under alkaline conditions and achieves H 2 O 2 yield rates of 0.73 mol g cat −1 h −1 in the H-cell and 5.48 mol g cat −1 h −1 in the flow cell, outperforming most reported catalysts. The experimental results show that the Ni atoms selectively adsorb O 2 , while carbon nanosheets generate reactive hydrogen species, synergistically enhancing H 2 O 2 production. Furthermore, a coupling reaction system integrating the 2e − ORR with ethylene glycol oxidation significantly enhances H 2 O 2 yield rate to 7.30 mol g cat −1 h −1 while producing valuable glycolic acid. Moreover, we convert alkaline electrolyte containing H 2 O 2 directly into the downstream product sodium perborate to reduce the separation cost further. Techno-economic analysis validates the economic viability of this system.
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