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

电合成 法拉第效率 过电位 双功能 过氧化氢 无机化学 化学 电子转移 氧化还原 可逆氢电极 电催化剂 析氧 电解水 光化学 催化作用 电化学 电解 电极 电解质 工作电极 有机化学 物理化学
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) 被引量:31
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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