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A Hybrid Hydrogel Approach for the Design of N, S Dual-Doped Porous Carbon Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction

电催化剂 氧还原反应 对偶(语法数字) 多孔性 氧还原 碳纤维 还原(数学) 氧气 兴奋剂 化学工程 材料科学 化学 纳米技术 电极 复合材料 电化学 光电子学 有机化学 工程类 物理化学 复合数 数学 几何学 艺术 文学类
作者
Shanmuganathan Velayutham,Sanjit Kumar Parida,Hrudananda Jena
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsaem.4c00001
摘要

Heteroatom-doped porous carbon materials have been largely explored as low-cost, metal-free alternatives to commercial Pt/C electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR): a key process in energy conversion and storage devices such as fuel cells and metal–air batteries. Here, we report the synthesis of a hybrid hydrogel, comprising pyrrole and thiophene monomers as a versatile precursor for the design of a N, S dual-doped porous carbon catalyst for the ORR. The unique composition and morphology of the precursor facilitate the design of a catalyst with enhanced catalytic activity and higher mass transport. The catalyst (CNS-900) with optimum N and S content demonstrates superior ORR activity in 0.1 M KOH with an onset (Eon) and a half-wave (E1/2) potential of 0.946 and 0.801 V vs reversible hydrogen electrode (RHE), respectively, close to that of Pt/C. The catalyst also demonstrates excellent short-term stability test retaining 87% of its original current in 25 h in addition to showing superior stability during the potential cycling experiment. Furthermore, the catalyst also exhibits good selectivity toward the 4e– ORR with an electron transfer number close to 4.00 and a H2O2 yield below 9.5% in the potential range 0.4–0.9 V vs RHE. This work provides a facile design approach to synthesize heteroatom-doped porous carbon catalysts using organic polymers in contrast to conventional graphene-based precursors for electrochemical applications.

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