Porous N, O, S‐Doped Carbon from Feathers Drives pH‐Universal H 2 O 2 Electroproduction

材料科学 法拉第效率 电化学 碳纤维 电解 产量(工程) 催化作用 多孔性 纳米技术 析氧 选择性 电化学电池 化学工程 电解水 工作(物理) 吸附剂 多孔介质 氧气 制作 氧化还原 活性炭 电极
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]
卷期号:36 (17)
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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