Nitrogen-Rich Conjugated Microporous Polymers with Improved Cobalt(II) Density for Highly Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution

材料科学 塔菲尔方程 过电位 析氧 电催化剂 催化作用 化学工程 卟啉 无机化学 电极 电化学 有机化学 物理化学 冶金 化学 工程类
作者
Yanzhe Li,Liang Wu,Keke Wang,Bolin Zhou,Qiang Li,Z.S. Li,Bin Yan,Chengtao Gong,Qin Wang,Jianhong Jia,Hai‐Min Shen,Shengwei Deng,Wang Zhang,Yuanbin She
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (7): 8903-8912 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.3c18620
摘要

Developing efficient oxygen evolution catalysts (OECs) made from earth-abundant elements is extremely important since the oxygen evolution reaction (OER) with sluggish kinetics hinders the development of many energy-related electrochemical devices. Herein, an efficient strategy is developed to prepare conjugated microporous polymers (CMPs) with abundant and uniform coordination sites by coupling the N-rich organic monomer 2,4,6-tris(5-bromopyrimidin-2-yl)-1,3,5-triazine (TBPT) with Co(II) porphyrin. The resulting CMP-Py(Co) is further metallized with Co2+ ions to obtain CMP-Py(Co)@Co. Structural characterization results reveal that CMP-Py(Co)@Co has higher Co2+ content (12.20 wt %) and affinity toward water compared with CMP-Py(Co). Moreover, CMP-Py(Co)@Co exhibits an excellent OER activity with a low overpotential of 285 mV vs RHE at 10 mA cm–2 and a Tafel slope of 80.1 mV dec–1, which are significantly lower than those of CMP-Py(Co) (335 mV vs RHE and 96.8 mV dec–1). More interestingly, CMP-Py(Co)@Co outperforms most reported porous organic polymer-based OECs and the benchmark RuO2 catalyst (320 mV vs RHE and 87.6 mV dec–1). Additionally, Co2+-free CMP-Py(2H) has negligible OER activity. Thereby, the enhanced OER activity of CMP-Py(Co)@Co is attributed to the incorporation of Co2+ ions leading to rich active sites and enlarged electrochemical surface areas. Density functional theory (DFT) calculations reveal that Co2+-TBPT sites have higher activity than Co2+-porphyrin sites for the OER. These results indicate that the introduction of rich active metal sites in stable and conductive CMPs could provide novel guidance for designing efficient OECs.

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