Engineering rich defects in nitrogen-doped porous carbon to boost oxygen reduction reaction kinetics

催化作用 碳纤维 动力学 氧气 化学工程 氮气 材料科学 密度泛函理论 多孔性 化学 无机化学 纳米技术 计算化学 复合材料 有机化学 工程类 物理 量子力学 复合数
作者
Yanqiu Wang,XinJing Huang,Jing Wang,Wenhao He,Zhongliang Tian,Ya Li,Wenzhang Li
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:99: 417-425
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2024.07.063
摘要

Metal-free carbon-based materials offer a promising alternative to Pt-based catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). However, challenges persist due to its sluggish kinetics and poor acid ORR performance. Here, we introduce a novel nitrogen-doped porous carbon with rich defects sites (such as pentagons, edge and vacancy defects) (PV/HPC) via a simple etching strategy. The PV/HPC demonstrates long-term stability and exceptional catalytic activity with half-wave potential of 0.9 V and average electron transfer number of 3.98 in alkaline solution while 0.78 V and 3.78 in acidic solution, indicating its efficiency and robustness as an ORR catalyst. Additionally, it achieves a higher kinetic current density of 91.9 mA cm−2 at 0.8 V, which is 1.75 times that of Pt/C (52.5 mA cm−2). Furthemore, it enables Al-air battery to attain a maximum power density of 487 mW cm−2, compared to 477 mW cm−2 for the Pt/C catalyst. Density functional theory (DFT) calculations elucidate that the introduction of multifunctional defects in nitrogen-doped porous carbon collectively reduces the reaction energy barrier of the departure of OH* and boosts the oxygen reduction reaction kinetics. This work presents a simple method to design durable and effective carbon-based ORR catalysts.
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