Integrative Active Sites of Cathode for Electron-Oxygen-Proton Coupling To Favor H2O2 Production in a Photoelectrochemical System

阴极 质子 联轴节(管道) 氧气 析氧 电子 化学 无机化学 光化学 电化学 材料科学 电极 物理 物理化学 有机化学 量子力学 冶金
作者
Shan Li,Lei Chen,Jian Wang,Tian Liu,Dawei Li,Zhi Yang,Xin Xiao,Chiheng Chu,Baoliang Chen
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (23): 10072-10083 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c01601
摘要

The oxygen reduction process generating H2O2 in the photoelectrochemical (PEC) system is milder and environmentally friendly compared with the traditional anthraquinone process but still lacks the efficient electron-oxygen-proton coupling interfaces to improve H2O2 production efficiency. Here, we propose an integrated active site strategy, that is, designing a hydrophobic C-B-N interface to refine the dearth of electron, oxygen, and proton balance. Computational calculation results show a lower energy barrier for H2O2 production due to synergistic and coupling effects of boron sites for O2 adsorption, nitrogen sites for H+ binding, and the carbon structure for electron transfer, demonstrating theoretically the feasibility of the strategy. Furthermore, we construct a hydrophobic boron- and nitrogen-doped carbon black gas diffusion cathode (BN-CB-PTFE) with graphite carbon dots decorated on a BiVO4 photoanode (BVO/g-CDs) for H2O2 production. Remarkably, this approach achieves a record H2O2 production rate (9.24 μmol min-1 cm-2) at the PEC cathode. The BN-CB-PTFE cathode exhibits an outstanding Faraday efficiency for H2O2 production of ∼100%. The newly formed h-BN integrative active site can not only adsorb more O2 but also significantly improve the electron and proton transfer. Unexpectedly, coupling BVO/g-CDs with the BN-CB-PTFE gas diffusion cathode also achieves a record H2O2 production rate (6.60 μmol min-1 cm-2) at the PEC photoanode. This study opens new insight into integrative active sites for electron-O2-proton coupling in a PEC H2O2 production system that may be meaningful for environment and energy applications.
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