Engineering Localized Alkalinity and Oxygen Enrichment for Efficient Acidic O2‐to‐H2O2 Electroreduction via Carbon‐Based Triphase Interfaces

碳纤维 碱度 电催化剂 化学工程 氧气 化学 可逆氢电极 过电位 催化作用 析氧 无机化学 材料科学 电极 电化学 有机化学 物理化学 工作电极 工程类 复合数 复合材料
作者
Shilin Yang,Jingyu Miao,Nannan Hou,Minghui Liu,Baojian Jing,Jiayu Zhang,Shan Qiu,Fengxia Deng
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202500499
摘要

The sustainable production of hydrogen peroxide (H2O2) via the two-electron oxygen reduction reaction (2e⁻ ORR) on carbon-based catalysts offers a compelling alternative to the energy-intensive anthraquinone process. However, the slow kinetics of the 2e⁻ ORR in acidic media limits its efficiency. Herein, a novel strategy is introduced to overcome this limitation by engineering a needle-shaped hydrophobic carbon felt embedded with hard carbon as a natural air diffusion electrode (ADE). In situ and ex situ characterization show this design creates an oxygen-enriched, locally alkaline microenvironment at the triphase interface, which accelerates 2e⁻ ORR kinetics by confining oxygen enrichment within the hard carbon layer. Quantitatively, this oxygen-enriched hydrothermal carbon electrocatalyst achieves a remarkable H2O2 selectivity of 95.47% at near-zero overpotential and a high production rate of 487.82 mg L-1 h-1 at 200 mA cm-2. Furthermore, density functional theory calculations reveal that the carboxyl and ether functional groups in hydrothermal hard carbon optimize O2 * and OOH* adsorption, promoting the desired 2e⁻ pathway. Importantly, this ADE design not only exhibits exceptional performance and long-term stability but also demonstrates a significantly reduced global warming potential compared to conventional methods, highlighting its potential to revolutionize industrial-scale H2O2 electrosynthesis by replacing commercial carbon black-based cathodes.
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