Carbon doped cobalt nanoparticles stabilized by carbon shell for highly efficient and stable oxygen reduction reaction

材料科学 催化作用 纳米颗粒 碳纤维 化学工程 介孔材料 兴奋剂 氧气 无机化学 纳米技术 化学 复合材料 有机化学 冶金 复合数 光电子学 工程类
作者
Miao He,Shaojia Song,Ping Wang,Fang Zhao,Weiwei Wang,Xilin Yuan,Chenyu Li,Huan Li,Weiyu Song,Dan Luo,Zhenxing Li
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:196: 483-492 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2022.05.019
摘要

The oxygen reduction reaction (ORR) is a key reaction in metal-air batteries and fuel cells. Herein, a novel carbon-doped Co nanoparticle coated with a carbon layer supported on the ordered macroporous titanium oxide (C-doped [email protected]@TiO2) is designed as the highly efficient and stable ORR catalysts. The C-doped [email protected]@TiO2 achieves the superior catalytic activity with an onset potential of 0.867 V and a limiting current density of −6.59 mA cm−2, which is much lower than the commercial Pt/C (−5.93 mA cm−2). The turnover frequency (TOF) of the C-doped [email protected]@TiO2 at the potential of 0.3 V (0.091 s−1) is nearly four times than the commercial Pt/C (0.025 s−1). This outstanding catalytical performance is attributed to the unique C-doped Co layer in Co nanoparticles, which can stable the OOH* and promote the desorption of OH*, and accelerate the catalyst surface regeneration in ORR. Meanwhile, the outer C layer with mesoporous channels can improve the stability and poisoning resistant of the C-doped Co nanoparticles, and the C-doped [email protected]@TiO2 still retains 98% of the current density after the reaction for 60 h. It is worth noting that the assembled zinc-air battery with C-doped [email protected]@TiO2 as the air cathode exhibits an ultra-high open circuit voltage of 1.51 V and an excellent durability of more than 41.6 days. This work provides one of the most promising non-noble metal-based catalysts for efficient and stable oxygen reduction reaction.
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