Highly Selective Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide on a Carbon-Supported Single-Atom Pd Electrocatalyst

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作者
Nan Wang,Xunhua Zhao,Rui Zhang,Saerom Yu,Zachary Levell,Chunyang Wang,Shengqian Ma,Peichao Zou,Lili Han,J. Qin,Lu Ma,Yuanyue Liu,Huolin L. Xin
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:12 (7): 4156-4164 被引量:43
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05633
摘要

Selective electrochemical two-electron oxygen reduction is a promising route for renewable and on-site H2O2 generation as an alternative to the anthraquinone process. Herein, we report a high-performance nitrogen-coordinated single-atom Pd electrocatalyst, which is derived from Pd-doped zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) through one-step thermolysis. High-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) combined with X-ray absorption spectroscopy verifies atomically dispersed Pd atoms on nitrogen-doped carbon (Pd-NC). The single-atom Pd-NC catalyst exhibits excellent electrocatalytic performance for two-electron oxygen reduction to H2O2, which shows ∼95% selectivity toward H2O2 and an unprecedented onset potential of ∼0.8 V versus revisable hydrogen electrode (RHE) in 0.1 M KOH. Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the Pd-N4 catalytic sites thermodynamically prefer *–O bond breaking to O–O bond breaking, corresponding to a high selectivity for H2O2 production. This work provides a deep insight into the understanding of the catalytic process and design of high-performance 2e– ORR catalysts.
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