Identification of the Highly Active Co–N 4 Coordination Motif for Selective Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide

化学 电合成 过氧化氢 催化作用 选择性 吡啶 组合化学 产量(工程) 立体化学 电化学 药物化学 有机化学 物理化学 电极 冶金 材料科学
作者
Shanyong Chen,Tao Luo,Xiaoqing Li,Kejun Chen,Junwei Fu,Kang Liu,Chao Cai,Qiyou Wang,Hongmei Li,Yu Chen,Chao Ma,Li Zhu,Ying‐Rui Lu,Ting‐Shan Chan,Mingshan Zhu,Emiliano Cortés,Min Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (32): 14505-14516 被引量:564
标识
DOI:10.1021/jacs.2c01194
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Electrosynthesis of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) through oxygen reduction reaction (ORR) is an environment-friendly and sustainable route for obtaining a fundamental product in the chemical industry. Co–N 4 single-atom catalysts (SAC) have sparkled attention for being highly active in both 2e – ORR, leading to H 2 O 2 and 4e – ORR, in which H 2 O is the main product. However, there is still a lack of fundamental insights into the structure–function relationship between CoN 4 and the ORR mechanism over this family of catalysts. Here, by combining theoretical simulation and experiments, we unveil that pyrrole-type CoN 4 (Co–N SAC Dp ) is mainly responsible for the 2e – ORR, while pyridine-type CoN 4 catalyzes the 4e – ORR. Indeed, Co–N SAC Dp exhibits a remarkable H 2 O 2 selectivity of 94% and a superb H 2 O 2 yield of 2032 mg for 90 h in a flow cell, outperforming most reported catalysts in acid media. Theoretical analysis and experimental investigations confirm that Co–N SAC Dp ─with weakening O 2 /HOO* interaction─boosts the H 2 O 2 production.
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