Nitrogen Speciation Dictates Industrial‐Current Oxygen Reduction in Metal‐Free Macrocycles for H 2 O 2 Synthesis

化学 催化作用 氮气 氧气 法拉第效率 碳纤维 析氧 金属 反应中间体 组合化学 无机化学 分子氧 蓝图 反应中间体 密度泛函理论 热解 原位 偶联反应 氧还原 活性氮
作者
Zhen Liu,Yang Hu,Bufeng Zhang,Hongye Xie,Laichun Zhao,Can Wu,Pengsheng Zhou,Qinjian Luo,Fu Chuang,Yuqin Zou,Ru Chen,Shuaijun Pan
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.1507031
摘要

ABSTRACT Oxygen activation is a cornerstone of sustainable electrosynthesis, yet controlling reactive intermediates without metallic centers remains challenging at industrial current densities. Here we establish nitrogen speciation as a molecular descriptor for governing oxygen activation in metal‐free macrocycles. Guided by density functional theory, we designed a tetra‐aza macrocycle with nearly exclusive pyridinic nitrogen, distinct from the mixed‐nitrogen environments of conventional porphyrins and phthalocyanines. This configuration uniquely stabilizes the key *OOH intermediate while strengthening interfacial electronic coupling with carbon supports. When integrated into a flow‐cell electrolyzer, the catalyst achieves ∼95% H 2 O 2 Faradaic efficiency and stability for over 800 h at 300 mA cm −2 , continuously generating >3 wt.% H 2 O 2 . Furthermore, in situ generated reactive oxygen species enable selective ambient upgrading of furfural to oxime (>90% yield). Techno‐economic analysis supports the economic viability of the process. By linking well‐defined nitrogen coordination to scalable device performance, this work provides a blueprint for translating molecular precision into practical electrocatalytic manufacturing.
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