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A Pentagonal Defect-Rich Metal-Free Carbon Electrocatalyst for Boosting Acidic O2 Reduction to H2O2 Production
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2023-05-09 , DOI: 10.1021/jacs.3c00689 Chang Zhang 1, 2 , Wangqiang Shen 1 , Kun Guo 1 , Mo Xiong 3 , Jian Zhang 2 , Xing Lu 1
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2023-05-09 , DOI: 10.1021/jacs.3c00689 Chang Zhang 1, 2 , Wangqiang Shen 1 , Kun Guo 1 , Mo Xiong 3 , Jian Zhang 2 , Xing Lu 1
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Metal-free carbon-based materials are considered one of the most promising two-electron oxygen reduction reaction (2e– ORR) electrocatalysts for the green synthesis of hydrogen peroxide (H2O2). However, most reported carbon electrocatalysts perform much more effectively in alkalis than in acids. Herein, by creatively using fullerene (C60) as the precursor subject to ammonia treatment, we designed and synthesized a pentagonal defect-rich nitrogen-doped carbon nanomaterial (PD/N–C). It achieves outstanding ORR activity, 2e– selectivity, and stability in acidic electrolytes, surpassing the benchmark PtHg4 alloy catalyst. Impressively, the flow cell based on the PD/N–C catalyst achieves nearly 100% Faraday efficiency with a remarkable H2O2 yield, representing the best improvement among all the metal-free catalysts. Experimental and theoretical results reveal that such superb 2e– ORR performance of PD/N–C originates from the synergism between pentagonal defects and nitrogen dopants. This work presents an effective strategy for the design and construction of highly efficient acid-resistant carbon electrocatalysts for H2O2 production and beyond.
中文翻译:
一种富含五边形缺陷的无金属碳电催化剂促进酸性 O2 还原生成 H2O2
无金属碳基材料被认为是用于绿色合成过氧化氢 (H 2 O 2 )的最有前途的双电子氧还原反应 (2e – ORR) 电催化剂之一。然而,大多数报道的碳电催化剂在碱中比在酸中表现得更有效。在此,我们创造性地使用富勒烯(C 60)作为氨处理的前驱体,设计并合成了一种富含五角缺陷的氮掺杂碳纳米材料(PD/N–C)。它在酸性电解质中实现了出色的 ORR 活性、2e-选择性和稳定性,超过了基准 PtHg 4合金催化剂。令人印象深刻的是,基于 PD/N–C 催化剂的流通池实现了接近 100% 的法拉第效率和显着的 H 2 O 2产率,代表了所有无金属催化剂中最好的改进。实验和理论结果表明,PD/N-C 如此出色的 2e - ORR 性能源于五方缺陷和氮掺杂之间的协同作用。这项工作为设计和构建用于 H 2 O 2生产及其他用途的高效耐酸碳电催化剂提供了一种有效的策略。
更新日期:2023-05-09
中文翻译:
一种富含五边形缺陷的无金属碳电催化剂促进酸性 O2 还原生成 H2O2
无金属碳基材料被认为是用于绿色合成过氧化氢 (H 2 O 2 )的最有前途的双电子氧还原反应 (2e – ORR) 电催化剂之一。然而,大多数报道的碳电催化剂在碱中比在酸中表现得更有效。在此,我们创造性地使用富勒烯(C 60)作为氨处理的前驱体,设计并合成了一种富含五角缺陷的氮掺杂碳纳米材料(PD/N–C)。它在酸性电解质中实现了出色的 ORR 活性、2e-选择性和稳定性,超过了基准 PtHg 4合金催化剂。令人印象深刻的是,基于 PD/N–C 催化剂的流通池实现了接近 100% 的法拉第效率和显着的 H 2 O 2产率,代表了所有无金属催化剂中最好的改进。实验和理论结果表明,PD/N-C 如此出色的 2e - ORR 性能源于五方缺陷和氮掺杂之间的协同作用。这项工作为设计和构建用于 H 2 O 2生产及其他用途的高效耐酸碳电催化剂提供了一种有效的策略。