Dipole–Dipole Tuned Electronic Reconfiguration of Defective Carbon Sites for Efficient Oxygen Reduction into H2O2

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作者
Jiaxin Su,Lei Jiang,Bingbing Xiao,Zixian Liu,Heng Wang,Yongfa Zhu,Jun Wang,Xiaofeng Zhu
出处
期刊:Small [Wiley]
被引量:4
标识
DOI:10.1002/smll.202310317
摘要

Metal-free carbon-based materials are one of the most promising electrocatalysts toward 2-electron oxygen reduction reaction (2e-ORR) for on-site production of hydrogen peroxide (H2 O2 ), which however suffer from uncontrollable carbonizations and inferior 2e-ORR selectivity. To this end, a polydopamine (PDA)-modified carbon catalyst with a dipole-dipole enhancement is developed via a calcination-free method. The H2 O2 yield rate outstandingly reaches 1.8 mol gcat-1 h-1 with high faradaic efficiency of above 95% under a wide potential range of 0.4-0.7 VRHE , overwhelming most of carbon electrocatalysts. Meanwhile, within a lab-made flow cell, the synthesized ORR electrode features an exceptional stability for over 250 h, achieved a pure H2 O2 production efficacy of 306 g kWh-1 . By virtue of its industrial-level capabilities, the established flow cell manages to perform a rapid pulp bleaching within 30 min. The superior performance and enhanced selectivity of 2e-ORR is experimentally revealed and attributed to the electronic reconfiguration on defective carbon sites induced by non-covalent dipole-dipole influence between PDA and carbon, thereby prohibiting the cleavage of O-O in OOH intermediates. This proposed strategy of dipole-dipole effects is universally applicable over 1D carbon nanotubes and 2D graphene, providing a practical route to design 2e-ORR catalysts.
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