Concurrent oxygen reduction and water oxidation at high ionic strength for scalable electrosynthesis of hydrogen peroxide

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作者
Changmin Kim,Sung O Park,Sang Kyu Kwak,Zhenhai Xia,Guntae Kim,Liming Dai
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1): 5822-5822 被引量:85
标识
DOI:10.1038/s41467-023-41397-1
摘要

Electrosynthesis of hydrogen peroxide via selective two-electron transfer oxygen reduction or water oxidation reactions offers a cleaner, cost-effective alternative to anthraquinone processes. However, it remains a challenge to achieve high Faradaic efficiencies at elevated current densities. Herein, we report that oxygen-deficient Pr1.0Sr1.0Fe0.75Zn0.25O4-δ perovskite oxides rich of oxygen vacancies can favorably bind the reaction intermediates to facilitate selective and efficient two-electron transfer pathways. These oxides exhibited superior Faradic efficiencies (~99%) for oxygen reduction over a wide potential range (0.05 to 0.45 V versus reversible hydrogen electrode) and current densities surpassing 50 mA cm-2 under high ionic strengths. We further found that the oxides perform a high selectivity (~80%) for two-electron transfer water oxidation reaction at a low overpotential (0.39 V). Lastly, we devised a membrane-free electrolyser employing bifunctional electrocatalysts, achieving a record-high Faradaic efficiency of 163.0% at 2.10 V and 50 mA cm-2. This marks the first report of the concurrent oxygen reduction and water oxidation catalysed by efficient bifunctional oxides in a novel membrane-free electrolyser for scalable hydrogen peroxide electrosynthesis.
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