Facile approach for synthesis of doped carbon electrocatalyst from cellulose nanofibrils toward high-performance metal-free oxygen reduction and hydrogen evolution

电催化剂 材料科学 塔菲尔方程 碳纳米纤维 石墨烯 化学工程 金属 纳米技术 碳纤维 电化学 无机化学 碳纳米管 电极 有机化学 冶金 复合材料 复合数 物理化学 化学 工程类
作者
Arie Mulyadi,Zhe Zhang,Michael R. Dutzer,Wei Liu,Yulin Deng
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:32: 336-346 被引量:144
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2016.12.057
摘要

Multi-element doped metal-free carbon nanomaterials with a 3D architecture were prepared from inexpensive and naturally abundant cellulose nanofibrils. Compared to the most graphene-based carbons reported in the literature that show only good oxygen reduction reaction (ORR) activity, our N,S-doped carbon nanofiber network coated with N,P-doped carbon nanoparticles showed good bifunctionality toward ORR and hydrogen evolution reaction (HER) activities. The HER performance with doped carbon material exhibited an onset potential of 233 mV (vs. RHE), a current density of 10 mA cm-2 at 331 mV (vs. RHE), and Tafel slope of 99 mV decade−1. The same material was also used for ORR, which could deliver an onset potential 10 mV more negative than commercial Pt/C and a cathodic peak of 0.84 V (vs. RHE). These values are better than most reported metal-free electrocatalysts. The superior performance of carbon hybrid may be attributed to the combination of a more exposed highly active N,P-doped carbon, a good integration of N,P-doped carbon with N,S-doped carbon nanofibers, and an accelerated electron transport through N,S-doped carbon nanofibers as good conductivity channels.

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