Single Atom Pt-Stabilized Superoxo Species for Direct Electrocatalytic Ethylene Epoxidation

化学 乙烯 催化作用 环氧乙烷 电解 电合成 氧气 光化学 电极 氧化物 电化学 Atom(片上系统) 乙腈 无机化学 电流(流体) 析氧 组合化学 工作(物理) 电流密度
作者
Hanyu Wang,Tianfu Li,Yanpeng Song,Yang Zhao,Pengfei Wei,Yi Wang,Jing Xue,Jiatai Zhao,Yaqi Wang,Xiaozhi Su,Dunfeng Gao,Guoxiong Wang,Xinhe Bao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (13): 14333-14342
标识
DOI:10.1021/jacs.6c01386
摘要

Renewable energy-driven electrosynthesis of ethylene oxide (EO) from ethylene is highly desired, as it is a low-carbon alternative to current industrial production process. The direct electrocatalytic ethylene epoxidation with water as a green oxidant is promising, yet it suffers from the activity-selectivity trade-off due to uncontrolled overoxidation. Here we construct PdO supported Pt single atoms to generate superoxo species as reactive oxygen species (ROS) and accelerate selective oxidation of ethylene. This catalyst design enables efficient EO production in a zero-gap membrane electrode assembly electrolyzer, with a partial current density of 71 mA cm–2 at a low cell voltage of 2.6 V. Furthermore, a scale-up demonstration using a 100 cm2 electrolyzer achieves a remarkable EO production rate of 6.4 g h–1 at a total current of 15 A. Thorough in situ spectroscopic characterizations and theoretical calculations indicate that the Pt single atoms, in synergy with ClO4– anions present in electrolyte, enable facile generation of abundant superoxo species and accelerated epoxidation of ethylene that is activated by the PdO support. This work highlights the importance of generating and stabilizing specific ROS for selective oxidation of organic molecules.
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