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Synergistic catalytic enhancement of metal-organic framework derived nanoarchitectures decorated on graphene as a high-efficiency bifunctional electrocatalyst for methanol oxidation and oxygen reduction

双功能 电催化剂 石墨烯 催化作用 甲醇 材料科学 塔菲尔方程 无机化学 化学工程 纳米技术 化学 电极 电化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Zhuokai Wang,Mingmei Zhang,Zixiang Song,Maria Yaseen,Zhiye Huang,An Wang,Guisheng Zhu,Shouyan Shao
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:624: 88-99 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2022.05.094
摘要

Designing highly efficient, long-lasting, and cost-effective cathodic and anodic functional materials as a bifunctional electrocatalyst is essential for overcoming the bottleneck in fuel cell development. Herein, a novel two-step synthesis strategy is developed to synthesize metal-organic framework (MOF) derived nitrogen-doped carbon (NC) with improved spatial isolation and a higher loading amount of cobalt (Co) and nickel carbide (Ni3C) nanocrystal decorated on graphene (denoted as Co@NC-Ni3C/G). Benefiting from multiple active sites of high N-doping level, uniform dispersion of Co and Ni3C nanocrystals, and a large active area of graphene, the Co@NC-Ni3C/G hybrids exhibit excellent methanol oxidation reaction (MOR) and oxygen reduction reaction (ORR) efficiency in an alkaline environment. For MOR, the optimized Co@NC-Ni3C/G-350 catalyst achieved a current density of 44.8 mA cm-2 at an applied potential of 1.47 V (V vs. RHE), which is significantly higher than Co@NC-Ni3C (42.07 mA cm-2) and Co@NC (24.1 mA cm-2) in 0.5 M methanol + 1.0 M KOH solutions. In addition, during the CO retention test, the Co@NC-Ni3C/G-350 catalyst exhibits excellent CO tolerance capacity. Excitingly, the as-prepared Co@NC-Ni3C/G-350 hybrid exhibits significantly improved ORR catalytic efficiency in terms of positive onset and half-wave potential (Eonset = 0.90 V, E1/2 = 0.830 V vs. RHE), small Tafel slope (34 mV dec-1) and excellent durability (only reduced 0.016 V after 5000 s test). This work provides new insights into MOF-derived functional nanomaterials for anode and cathode co-catalysts for methanol fuel cells.
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