Carbon Nanosheets Containing Discrete Co-Nx-By-C Active Sites for Efficient Oxygen Electrocatalysis and Rechargeable Zn–Air Batteries

催化作用 电催化剂 材料科学 电子转移 碳纤维 碳化 吸附 电化学 化学工程 氧气 无机化学 电极 化学 物理化学 有机化学 复合数 工程类 复合材料
作者
Yingying Guo,Pengfei Yuan,Jianan Zhang,Yongfeng Hu,Ibrahim Saana Amiinu,Xin Wang,Jigang Zhou,Huicong Xia,Zhibo Song,Qun Xu,Shichun Mu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (2): 1894-1901 被引量:429
标识
DOI:10.1021/acsnano.7b08721
摘要

Structural and compositional engineering of atomic-scaled metal−N−C catalysts is important yet challenging in boosting their performance for the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). Here, boron (B)-doped Co−N−C active sites confined in hierarchical porous carbon sheets (denoted as Co-N,B-CSs) were obtained by a soft template self-assembly pyrolysis method. Significantly, the introduced B element gives an electron-deficient site that can activate the electron transfer around the Co−N−C sites, strengthen the interaction with oxygenated species, and thus accelerate reaction kinetics in the 4e− processed ORR and OER. As a result, the catalyst showed Pt-like ORR performance with a half-wave potential (E1/2) of 0.83 V versus (vs) RHE, a limiting current density of about 5.66 mA cm−2, and higher durability (almost no decay after 5000 cycles) than Pt/C catalysts. Moreover, a rechargeable Zn–air battery device comprising this Co-N,B-CSs catalyst shows superior performance with an open-circuit potential of ∼1.4 V, a peak power density of ∼100.4 mW cm−2, as well as excellent durability (128 cycles for 14 h of operation). DFT calculations further demonstrated that the coupling of Co-Nx active sites with B atoms prefers to adsorb an O2 molecule in side-on mode and accelerates ORR kinetics.
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