Constructing double-shell structured N-C-in-Co/N-C electrocatalysts with nanorod- and rhombic dodecahedron-shaped hollow morphologies to boost electrocatalytic activity for hydrogen evolution and triiodide reduction reaction

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作者
Jiaoe Dang,Sining Yun,Yongwei Zhang,Jingjing Yang,Zhuolei Liu,Changwei Dang,Ke Wang,Yingying Deng
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:449: 137854-137854 被引量:53
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.137854
摘要

With the increasing energy demands and impending climate change, significant concerns have been raised over the metal–organic frameworks (MOFs)-derived porous carbons and their utilization for hydrogen evolution reaction (HER) and triiodide reduction reaction (IRR). However, the provision of high intrinsic activity, active-site accessibility, and structural stability of MOF-derived Co-embedded N-doped carbon (Co/N-C) for HER and IRR is challenging. In this work, core-shell MOF-in-MOF precursors are designed to construct novel double-shell N-C-in-Co/N-C electrocatalysts with nanorod- and rhombic dodecahedron-shaped hollow morphologies (NR-H-C and RD-H-C). The double-shell structured NR-H-C and RD-H-C significantly enhance the HER and IRR activity of Co-MOF-derived Co/N-C. Specifically, NR-H-C achieves a high N-content (10.35 at.%), large specific surface area (590.87 m2 g−1), and hierarchical porous configuration (micropores and mesopores). When NR-H-C is applied as the HER catalyst in alkaline electrolyte, it exhibits an admired overpotential of 123 mV at 10 mA cm−2 and a Tafel slope of 51 mV dec−1. The solar cell adopting NR-H-C as counter electrode for IRR achieves a high short circuit current density of 16.77 mA cm−2, an open-circuit voltage of 0.745 V, a fill factor of 0.682, and a power conversion efficiency of 8.51%, higher than that of Pt-based solar cell (16.26 mA cm−2, 0.744 V, 0.602, and 7.28%). The elucidatory Volmer-Heyrovsky HER mechanism and reversed Volmer-Heyrovsky IRR mechanism give a better understanding of the enhanced dual-functional activity of NR-H-C. This work provides an essential information for the rational design of high-performance dual-functional HER and IRR catalysts and further open up a new avenue for the construction of multicomponent MOFs in the energy conversion field.
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