Cobalt-embedded in ultrahigh boron and nitrogen codoped hierarchically porous carbon nanowires as excellent catalysts toward water splitting

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作者
Fei Guo,Zhuo Liu,Jie Xiao,Xiaoyuan Zeng,Chengxu Zhang,Yan Lin,Peng Dong,Tingting Liu,Yingjie Zhang,Mian Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:446: 137111-137111 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.137111
摘要

The low heteroatoms doping amount and uncontrollable formation of electrochemically inactive boron (B)–nitrogen (N) bonds have hindered the electrocatalytic activities of B and N codoped carbonaceous catalysts. Herein, the novel three-dimensional (3D) cobalt (Co) nanoparticles (NPs)-embedded and ultrahigh B and N doped hierarchically porous carbon nanowires (denoted as [email protected]) have been successfully synthesized via pyrolyzing the 3D cobalt acetate/hydroxybenzeneboronic acid/polyvinylpyrrolidone precursor networks woven by electrospinning. After optimizing the pyrolysis temperatures, the optimal [email protected] owns a large surface area and abundant carbon edges/defects. Especially, 6.86 atom % of B and 6.59 atom % of N atoms are doped into carbon frameworks with affording 13.45 atom % of B/N active centers (i.e. BC3, pyridinic-N, Co-Nx-C, pyrrolic-N, and graphitic-N). In alkaline solution, the hydrogen evolution reaction overpotential at 10 mA cm−2 of the optimal [email protected] (151.3 mV) is just 82.4 mV larger than 20 wt% Pt/C (68.9 mV). Especially, the oxygen evolution reaction potential at 10 mA cm−2 of the optimal [email protected] (1.554 V vs. RHE) is even 2 mV more negative than RuO2 (1.556 V vs. RHE). For full water splitting, [email protected]s-800 based electrolysis cell just requires a small voltage of 1.596 V to achieve 10 mA cm−2, which is 19 mV smaller than that of the state-of-the-art 20 wt% Pt/C||RuO2 benchmark (1.615 V). The perfect 3D hierarchically porous structures and fairly abundant electrocatalytic active sites dispersed along [email protected]′s surface are responsible for the outstanding water splitting performances. In addition, as the good structural and chemical stabilities, [email protected] nanowires based water electrolysis cell also displays excellent water electrolysis stability.
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