Conducting Polymer-Based e-Refinery for Sustainable Hydrogen Peroxide Production

Abstract

Electrocatalysis enables the industrial transition to sustainable production of chemicals using abundant precursors and electricity from renewable sources. De-centralized production of hydrogen peroxide (H₂O₂) from water and oxygen of air is highly desirable for daily life and industry. We report an effective electrochemical refinery (e-refinery) for H₂O₂ by means of electrocatalysis-controlled comproportionation reaction (2_HO+_O→2_HO), feeding pure water and oxygen only. Mesoporous nickel (II) oxide (NiO) was used as electrocatalyst for oxygen evolution reaction (OER), producing oxygen at the anode. Conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) drove the oxygen reduction reaction (ORR), forming H₂O₂ on the cathode. The reactions were evaluated in both half-cell and device configurations. The performance of the H₂O₂ e-refinery, assembled on anion-exchange solid electrolyte and fed with pure water, was limited by the unbalanced ionic transport. Optimization of the operation conditions allowed a conversion efficiency of 80%.

Keywords

conducting polymer / hydrogen peroxide / nickel (II) oxide / oxygen evolution reaction / oxygen reduction reaction

References

[1] United Nations , Secretary-General's statement on the IPCC Working Group 1 Report on the Physical Science Basis of the Sixth Assessment, United Nation, New York, NY 2021.

[2] C. W. Jones , Applications of Hydrogen Peroxide and Derivatives, Royal Society of Chemistry, Cambridge 1999.

[3] D. Mileto , A. Mancon , F. Staurenghi , A. Rizzo , S. Econdi , M. R. Gismondo , M. Guidotti , Acs Chem. Health Safety 2021, 28, 260.

[4] H. W. Kim , M. B. Ross , N. Kornienko , L. Zhang , J. H. Guo , P. D. Yang , B. D. McCloskey , Nat. Catal. 2018, 1, 282.

[5] Z. Y. Lu , G. X. Chen , S. Siahrostami , Z. H. Chen , K. Liu , J. Xie , L. Liao , T. Wu , D. C. Lin , Y. Y. Liu , T. F. Jaramillo , J. K. Norskov , Y. Cui , Nat. Catal. 2018, 1, 156.

[6] S. Fukuzumi , Y. Yamada , K. D. Karlin , Electrochim. Acta 2012, 82, 493.

[7] R. P. Lively , Aiche J. 2021, 67, e17286.

[8] R. P. Lively , M. J. Realff , Energy Fuel 2021, 35, 13281.

[9] C. Tang , Y. Zheng , M. Jaroniec , S. Z. Qiao , Angew. Chem. Int. Ed 2021, 60, 19572.

[10] M. R. Tarasevich , O. V. Korchagin , Russ. J. Electrochem. 2013, 49, 600.

[11] J. A. McIntyre , Electrochem. Soc. Interface 1995, 4, 29.

[12] B. M. Hunter , H. B. Gray , A. M. Muller , Chem. Rev. 2016, 116, 14120.

[13] F. L. Lyu , Q. F. Wang , S. M. Choi , Y. D. Yin , Small 2019, 15, 1804201.

[14] S. H. Lee , J. Kim , D. Y. Chung , J. M. Yoo , H. S. Lee , M. J. Kim , B. S. Mun , S. G. Kwon , Y. E. Sung , T. Hyeon , J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 2035.

[15] T. Priamushko , R. Guillet-Nicolas , F. Kleitz , Inorganics 2019, 7, 8.

[16] Z. X. Wu , M. Vagin , R. Boyd , B. Bakhit , G. Greczynski , M. Oden , E. M. Bjork , Microporous Mesoporous Mater. 2022, 333, 111734.

[17] C. H. Choi , M. Kim , H. C. Kwon , S. J. Cho , S. Yun , H. T. Kim , K. J. J. Mayrhofer , H. Kim , M. Choi , Nat. Commun. 2016, 7, 10922.

[18] E. Pizzutilo , O. Kasian , C. H. Choi , S. Cherevko , G. J. Hutchings , K. J. J. Mayrhofer , S. J. Freakley , Chem. Phys. Lett. 2017, 683, 436.

[19] S. Siahrostami , A. Verdaguer-Casadevall , M. Karamad , D. Deiana , P. Malacrida , B. Wickman , M. Escudero-Escribano , E. A. Paoli , R. Frydendal , T. W. Hansen , I. Chorkendorff , I. E. L. Stephens , J. Rossmeisl , Nat. Mater. 2013, 12, 1137.

[20] D. Verdaguer-Casadevall , M. Deiana , S. Karamad , P. Siahrostami , T. Malacrida , W. Hansen , J. Rossmeisl , I. Chorkendorff , I. E. L. Stephens , Nano Lett. 2014, 14, 1603.

[21] E. Jung , H. Shin , B. H. Lee , V. Efremov , S. Lee , H. S. Lee , J. Kim , W. Hooch Antink , S. Park , K. S. Lee , S. P. Cho , J. S. Yoo , Y. E. Sung , T. Hyeon , Nat. Mater. 2020, 19, 436.

[22] C. Xia , Y. Xia , P. Zhu , L. Fan , H. T. Wang , Science 2019, 366, 226.

[23] J. W. Xu , X. L. Zheng , Z. P. Feng , Z. Y. Lu , Z. W. Zhang , W. Huang , Y. B. Li , D. Vuckovic , Y. Q. Li , S. Dai , G. X. Chen , K. C. Wang , H. S. Wang , J. K. Chen , W. Mitch , Y. Cui , Nat. Sustain. 2021, 4, 233.

[24] B. Y. Huang , L. B. Li , X. N. Tang , W. J. Zhai , Y. S. Hong , T. Hu , K. Yuan , Y. W. Chen , Energ. Environ. Sci. 2021, 14, 2789.

[25] Q. Cui , D. J. Bell , S. Q. Wang , M. Mohseni , D. Felder , J. Lolsberg , M. Wessling , ChemElectroChem 2021, 8, 1665.

[26] V. Gueskine , A. Singh , M. Vagin , X. Crispin , I. Zozoulenko , J. Phys. Chem. C 2020, 124, 13263.

[27] E. Mitraka , M. Gryszel , M. Vagin , M. J. Jafar , A. Singh , M. Warczak , M. Mitrakas , M. Berggren , T. Ederth , I. Zozoulenko , X. Crispin , E. D. Gł-owacki , Adv. Sustain. Syst. 2019, 3, 1800110.

[28] P. D. Nayak , D. Ohayon , S. Wustoni , S. Inal , Adv. Mat. Technol. 2022, 7, 2100277.

[29] H. Rabl , D. Wielend , S. Tekoglu , H. Seelajaroen , H. Neugebauer , N. Heitzmann , D. H. Apaydin , M. C. Scharber , N. S. Sariciftci , ACS Appl. Energ. Mater. 2020, 3, 10611.

[30] Q. H. Zhu , M. Hinkle , D. J. Kim , J. H. Kim , Acs Es&T Eng. 2021, 1, 446.

[31] Y. L. Wang , G. I. N. Waterhouse , L. Shang , T. R. Zhang , Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003323.

[32] J. H. Huang , C. L. Fu , J. X. Chen , N. Senthilkumar , X. X. Peng , Z. H. Wen , CCS Chem. 2022, 4, 566.

[33] J. H. Huang , J. X. Chen , C. L. Fu , P. W. Cai , Y. Li , L. L. Cao , W. Liu , P. Yu , S. Q. Wei , Z. H. Wen , J. H. Li , ChemSusChem 2020, 13, 1496.

[34] Y. G. Li , W. Zhou , H. L. Wang , L. M. Xie , Y. Y. Liang , F. Wei , J. C. Idrobo , S. J. Pennycook , H. J. Dai , Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 394.

[35] Z. M. Galbacs , L. J. Csanyi , J. Chem. Soc.-Dalton Transac. 1983, 11, 2353.

[36] W. D. Nicoll , A. F. Smith , Ind. Eng. Chem. 1955, 47, 2548.

[37] X. Crispin , F. L. E. Jakobsson , A. Crispin , P. C. M. Grim , P. Andersson , A. Volodin , C. van Haesendonck , M. Van der Auweraer , W. R. Salaneck , M. Berggren , Chem. Mater. 2006, 18, 4354.

[38] B. Winther-Jensen , O. Winther-Jensen , M. Forsyth , D. R. MacFarlane , Science 2008, 321, 671.

[39] C. C. M. Neumann , E. Laborda , K. Tschulik , K. R. Ward , R. G. Compton , Nano Res. 2013, 6, 511.

[40] S. Fletcher , J. Solid State Electro. 2009, 13, 537.

[41] G. Zotti , S. Zecchin , G. Schiavon , F. Louwet , L. Groenendaal , X. Crispin , W. Osikowicz , W. Salaneck , M. Fahlman , Macromolecules 2003, 36, 3337.

[42] J. Park , Y. Nabae , T. Hayakawa , M. A. Kakimoto , ACS Catal. 2014, 4, 3749.

[43] F. Ahmed , P. H. Ding , U. Ail , M. Warczak , A. Grimoldi , T. Ederth , K. M. O. Hakansson , M. Vagin , V. Gueskine , M. Berggren , X. Crispin , Adv. Sustain. Syst. 2022,

[44] K. S. W. Sing , D. H. Everett , R. A. W. Haul , L. Moscou , R. A. Pierotti , J. Rouquerol , T. Siemieniewska , Pure Appl. Chem. 1985, 57, 603.

[45] H. R. Jhong , F. R. Brushett , P. J. A. Kenis , Adv. Energy Mater. 2013, 3, 589.

[46] Y. C. Tan , K. B. Lee , H. Song , J. Oh , Joule 2020, 4, 1104.

[47] Y. H. Lee , F. Li , K. H. Chang , C. C. Hu , T. Ohsaka , Appl. Catal. B-Environ. 2012, 126, 208.

[48] Z. Zheng , Y. H. Ng , D. W. Wang , R. Amal , Adv. Mater. 2016, 28, 9949.

[49] K. Dong , J. Liang , Y. Y. Wang , Z. Q. Xu , Q. Liu , Y. L. Luo , T. S. Li , L. Li , X. F. Shi , A. M. Asiri , Q. Li , D. W. Ma , X. P. Sun , Angew. Chem. Int. Ed 2021, 60, 10583.

RIGHTS & PERMISSIONS

2022 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.