Binary and Ternary Doping of Nitrogen, Boron, and Phosphorus into Carbon for Enhancing Electrochemical Oxygen Reduction Activity

催化作用 材料科学 兴奋剂 无机化学 离域电子 碳纤维 三元运算 氧气 电化学 化学 有机化学 电极 物理化学 复合材料 复合数 程序设计语言 光电子学 计算机科学
作者
Chang Hyuck Choi,Sung Hyeon Park,Seong Ihl Woo
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:6 (8): 7084-7091 被引量:846
标识
DOI:10.1021/nn3021234
摘要

N-doped carbon, a promising alternative to Pt catalyst for oxygen reduction reactions (ORRs) in acidic media, is modified in order to increase its catalytic activity through the additional doping of B and P at the carbon growth step. This additional doping alters the electrical, physical, and morphological properties of the carbon. The B-doping reinforces the sp2-structure of graphite and increases the portion of pyridinic-N sites in the carbon lattice, whereas P-doping enhances the charge delocalization of the carbon atoms and produces carbon structures with many edge sites. These electrical and physical alternations of the N-doped carbon are more favorable for the reduction of the oxygen on the carbon surface. Compared with N-doped carbon, B,N-doped or P,N-doped carbon shows 1.2 or 2.1 times higher ORR activity at 0.6 V (vs RHE) in acidic media. The most active catalyst in the reaction is the ternary-doped carbon (B,P,N-doped carbon), which records −6.0 mA/mg of mass activity at 0.6 V (vs RHE), and it is 2.3 times higher than that of the N-doped carbon. These results imply that the binary or ternary doping of B and P with N into carbon induces remarkable performance enhancements, and the charge delocalization of the carbon atoms or number of edge sites of the carbon is a significant factor in deciding the oxygen reduction activity in carbon-based catalysts.
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