Boundary‐Rich Carbon‐Based Electrocatalysts with Manganese(II)‐Coordinated Active Environment for Selective Synthesis of Hydrogen Peroxide

电催化剂 析氧 可逆氢电极 催化作用 化学 法拉第效率 无机化学 电解质 电化学 电极 有机化学 物理化学 工作电极
作者
Lingyu Dong,Jingsong Wang,Tianyi Li,Tao Wu,Xu Hu,Yutai Wu,Min‐Yi Zhu,Guang‐Ping Hao,An‐Hui Lu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (13): e202317660-e202317660 被引量:45
标识
DOI:10.1002/anie.202317660
摘要

Coordinated manganese (Mn) electrocatalysts owing to their electronic structure flexibility, non-toxic and earth abundant features are promising for electrocatalytic reactions. However, achieving selective hydrogen peroxide (H2 O2 ) production through two electron oxygen reduction (2e-ORR) is a challenge on Mn-centered catalysts. Targeting this goal, we report on the creation of a secondary Mn(II)-coordinated active environment with reactant enrichment effect on boundary-rich porous carbon-based electrocatalysts, which facilitates the selective and rapid synthesis of H2 O2 through 2e-ORR. The catalysts exhibit nearly 100 % Faradaic efficiency and H2 O2 productivity up to 15.1 mol gcat -1 h-1 at 0.1 V versus reversible hydrogen electrode, representing the record high activity for Mn-based electrocatalyst in H2 O2 electrosynthesis. Mechanistic studies reveal that the epoxide and hydroxyl groups surrounding Mn(II) centers improve spin state by modifying electronic properties and charge transfer, thus tailoring the adsorption strength of *OOH intermediate. Multiscale simulations reveal that the high-curvature boundaries facilitate oxygen (O2 ) adsorption and result in local O2 enrichment due to the enhanced interaction between carbon surface and O2 . These merits together ensure the efficient formation of H2 O2 with high local concentration, which can directly boost the tandem reaction of hydrolysis of benzonitrile to benzamide with nearly 100 % conversion rate and exclusive benzamide selectivity.
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