N, P, and S tri-doped holey carbon as an efficient electrocatalyst for oxygen reduction in whole pH range for fuel cell and zinc-air batteries

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作者
Yongde Long,Fenghui Ye,Lei Shi,Xuanni Lin,Rajib Paul,Dong Liu,Chuangang Hu
出处
期刊:Carbon [Elsevier]
卷期号:179: 365-376 被引量:47
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2021.04.039
摘要

Although, metal-free electrocatalysts have been exhibiting attractive oxygen reduction reaction (ORR) performance comparable to Pt/C in alkaline electrolytes, their activity in acidic and neutral mediums is unsatisfactory, hindering their widespread application in energy devices, such as proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), neutral metal-air batteries, and biofuel cells. Herein, N,P,S tri-doped holey carbon (NPS-HC) nanomaterials have been prepared using a one-step method with large specific surface area (1656.0 m2 g−1), abundant holes and edges, and high heteroatom content (7.57 at.%). The optimized NPS-HC exhibits outstanding ORR performance in universal pH mediums, being closely comparable to the commercial Pt/C. The NPS-HC is also utilized as air cathode in alkaline (peak power density: 286.6 mW cm−2 @ 488.1 mA cm−2) and neutral (85.7 mW cm−2 @ 228.8 mA cm−2) electrolytic Zn-air batteries as well as the ORR cathode in a practical PEMFC (275.1 mW cm−2) with comparable or superior performances than the previous reports. Such excellent electrocatalytic performance is attributed to the N,P,S tri-doping induced synergistic charge transfer and spin redistribution along with the hierarchical holey structure with exposed active sites and facilitated mass transport. Thus, this earth-abundant carbon-based nanomaterial holds great potential for high-performance pH-universal ORR catalysis in various energy-related technologies.

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