Co Nanoparticles Encapsulated in N‐Doped Carbon Nanotubes Grafted CNTs as Electrocatalysts for Enhanced Oxygen Reduction Reaction

过电位 塔菲尔方程 材料科学 碳纳米管 电催化剂 催化作用 纳米颗粒 纳米技术 化学工程 纳米结构 碳纤维 电化学 复合材料 电极 化学 物理化学 有机化学 复合数 工程类
作者
Chao Wang,Yuan Ha,Xin Mao,Weilan Xu,Aijun Du,Renbing Wu,Shulei Chou,Haijiao Zhang
出处
期刊:Advanced Materials Interfaces [Wiley]
卷期号:9 (5) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/admi.202101877
摘要

Abstract The exploration of high‐efficiency and inexpensive electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR) is of critical significance for renewable energy conversion. Herein, an in situ catalytic transformation strategy toward a unique hierarchical nanostructure is reported. In the architecture, Co nanoparticles encapsulated at the tip of bamboo‐like N‐doped carbon nanotubes (NCNTs) are grafted on N‐doped polypyrrole‐derived CNTs. Thanks to the smart design of unique 3D architecture, the NPCN@Co‐NCNTs catalyst displays an extraordinary ORR activity in 0.1 m KOH solution (the onset and half‐wave potentials are 0.96 and 0.90 V vs RHE, respectively), which is similar to commercial Pt/C catalyst (0.99 and 0.88 V vs RHE, respectively). Meanwhile, the catalyst shows the low Tafel slope of 78 mV dec −1 and long‐time stability. Experimental and theoretical results verify that the improved ORR performance is mainly related to the existence of Co nanoparticles protected by pyridinic‐N‐doped carbon, which lowers the theoretical overpotential of ORR. Density functional theory calculations reveal that Pyridinic‐NCCo site is the reactive site with the lowest overpotential for ORR (0.57 V). These results unambiguously indicate that the NPCN@Co‐NCNTs represent a low‐cost yet high‐efficiency electrocatalyst for the electrocatalytic ORR.
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