Engineering Asymmetric Electronic Structure of Co─N─C Single‐Atomic Sites Toward Excellent Electrochemical H 2 O 2 Production and Biomass Upgrading

电化学 生物量(生态学) 生产(经济) 材料科学 化学 电极 物理化学 地质学 海洋学 宏观经济学 经济
作者
Kun Yu,Shiming Guan,Wenbiao Zhang,Wenbiao Zhang,Wanling Zhang,Wanling Zhang,Yuying Meng,Huaijun Lin,Qingsheng Gao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (19): e202502383-e202502383 被引量:24
标识
DOI:10.1002/anie.202502383
摘要

To advance electrochemical H2O2 production and unravel catalytic mechanisms, the precise structural coordination of single-atomic M-N-C electrocatalysts is urgently required. Herein, the Co─N5 site with an asymmetric electronic configuration is constructed to boost the two-electron oxygen reduction reaction (2e- ORR) compared to symmetric Co─N4, effectively overcoming the trade-off between activity and selectivity in H2O2 production. Both experimental and theoretical analyses demonstrate that breaking the symmetry of Co─N sites promotes the activation of O2 molecules and moderates the adsorption of the key *OOH intermediate by disrupting the linear scaling relationship for intermediates adsorption. This modulation enables efficient H₂O₂ production and its effective retention for subsequent applications. As a proof of concept, Co─N5 achieves a H2O2 production rate as high as 16.1 mol gcat -1 h-1 in a flow cell, outperforming most recently reported counterparts. Furthermore, the coupling of 2e- ORR with the oxidation of cellulose-derived carbohydrates accomplishes high formic acid yields (84.1% from glucose and 62.0%-92.1% from other substrates), underpinning the sustainable electro-refinery for biomass valorization at ambient conditions. By elucidating the intrinsic relationship between 2e⁻ ORR and the asymmetry of single-atomic sites, this work paves the way for high-performance electrosynthesis.
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