Porous N, O, S‐Doped Carbon from Feathers Drives pH‐Universal H2O2 Electroproduction

材料科学 兴奋剂 碳纤维 羽毛 多孔性 化学工程 复合材料 光电子学 生态学 生物 复合数 工程类
作者
Xinxin Zhang,Xinyu Wang,Dazhi Yao,Minna Guo,Jun Lv,Jitraporn Vongsvivut,Xing Lu,Wangqiang Shen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202524856
摘要

Abstract Harnessing the two‐electron oxygen reduction reaction (2e − ORR) pathway for electrochemical H 2 O 2 production offers a sustainable alternative to the anthraquinone process, yet the development of low‐cost, efficient, and pH‐universal catalysts remains a formidable challenge. In this work, we propose a sustainable solid‐waste‐to‐catalyst route that converts keratin‐rich feather waste into chicken‐feather‐derived carbon‐3 (CFDC‐3)—a hierarchical, N, O, S‐doped porous carbon—via high‐temperature alkaline activation. The CFDC‐3 features abundant micro/mesopores, ultrahigh surface area, and defect‐rich multi‐heteroatom sites, delivering excellent H 2 O 2 selectivity (≈95% in acidic, ≈90% in neutral media) and strong durability. Electrochemical tests, in situ spectroscopy, and theoretical calculations reveal that the synergy of dopants, defects, and porosity optimizes the electronic structure, enhances O 2 adsorption, and promotes the 2e − ORR pathway. When integrated into a flow cell with acidic electrolyte, CFDC‐3 delivers a high H 2 O 2 yield of 4187 mg L −1 h −1 and ≈80% Faradaic efficiency. Moreover, in a two‐electrode solid‐state system, it enables continuous generation of ≈6.65 wt.% H 2 O 2 over 21 h, while solar‐driven electrolysis rapidly accumulates 2.81 wt.% within 1 h. This work demonstrates a waste‐to‐catalyst strategy that converts feather‐derived keratin into defect‐rich, heteroatom‐doped porous carbon, offering a scalable and sustainable platform for efficient H 2 O 2 electrosynthesis.
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