A General Strategy to Synthesize Fluidic Single Atom Electrodes for Selective Reactive Oxygen Species Production

流体学 单线态氧 选择性 催化作用 电催化剂 电极 材料科学 化学工程 化学物理 电子转移 吸附 纳米技术 氧气 化学 光化学 物理化学 有机化学 电化学 工程类 航空航天工程
作者
Limin Jin,Xiaoguang Duan,Meng Sun,Chad D. Vecitis,Han‐Qing Yu,Yanbiao Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (13): 12875-12883 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c04521
摘要

Fine-tuning the geometric and electronic structure of catalytic metal centers via N-coordination engineering offers an effective design for the electrocatalytic transformation of O2 to singlet oxygen (1O2). Herein, we develop a general coordination modulation strategy to synthesize fluidic single-atom electrodes for selective electrocatalytic activation of O2 to 1O2. Using a single Cr atom system as an example, >98% 1O2 selectivity can be achieved from electrocatalytic O2 activation due to the subtle engineering of Cr-N4 sites. Both theoretical simulations and experimental results determined that "end-on" adsorption of O2 onto the Cr-N4 sites lowers the overall activation energy barrier of O2 and promotes the breakage of Cr-OOH bonds to form •OOH intermediates. In addition, the flow-through configuration (k = 0.097 min-1) endowed convection-enhanced mass transport and improved charge transfer imparted by spatial confinement within the lamellar electrode structure compared to that of batch reactor (k = 0.019 min-1). In a practical demonstration, the Cr-N4/MXene electrocatalytic system exhibits a high selectivity toward electron-rich micropollutants (e.g., sulfamethoxazole, bisphenol A, and sulfadimidine). The flow-through design of the fluidic electrode achieves a synergy with the molecular microenvironment that enables selective electrocatalytic 1O2 generation, which could be used in numerous ways, including the treatment of environmental pollution.
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