Exploration of the active center structure of nitrogen-doped graphene-based catalysts for oxygen reduction reaction

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作者
Linfei Lai,Jeffrey R. Potts,Da Zhan,Liang Wang,Chee Kok Poh,Chunhua Tang,Hao Gong,Zexiang Shen,Jianyi Lin,Rodney S. Ruoff
出处
期刊:Energy and Environmental Science [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:5 (7): 7936-7936 被引量:2218
标识
DOI:10.1039/c2ee21802j
摘要

We present two different ways to fabricate nitrogen-doped graphene (N-graphene) and demonstrate its use as a metal-free catalyst to study the catalytic active center for the oxygen reduction reaction (ORR). N-graphene was produced by annealing of graphene oxide (G-O) under ammonia or by annealing of a N-containing polymer/reduced graphene oxide (RG-O) composite (polyaniline/RG-O or polypyrrole/RG-O). The effects of the N precursors and annealing temperature on the performance of the catalyst were investigated. The bonding state of the N atom was found to have a significant effect on the selectivity and catalytic activity for ORR. Annealing of G-O with ammonia preferentially formed graphitic N and pyridinic N centers, while annealing of polyaniline/RG-O and polypyrrole/RG-O tended to generate pyridinic and pyrrolic N moieties, respectively. Most importantly, the electrocatalytic activity of the catalyst was found to be dependent on the graphitic N content which determined the limiting current density, while the pyridinic N content improved the onset potential for ORR. However, the total N content in the graphene-based non-precious metal catalyst does not play an important role in the ORR process.
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