Copper-involved highly efficient oxygen reduction reaction in both alkaline and acidic media

催化作用 化学 氮气 无机化学 氧还原反应 过渡金属 氧化态 限制电流 化学工程 电化学 物理化学 电极 有机化学 工程类
作者
Zehua Yang,Kaiyue Jiang,Gangsheng Tong,Changchun Ke,Haofei Wu,Pan Liu,Jichao Zhang,Huiping Ji,Jinhui Zhu,Chenbao Lu,Xiaodong Zhuang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:437: 135377-135377 被引量:35
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.135377
摘要

Oxygen reduction reaction (ORR) plays a significant role in many renewable energy storage and conversion devices. Various kinds of transition metal-based electrocatalysts were developed to promote the ORR. Among them, Cu-based catalysts were rarely studied due to their intrinsic de-active feature in bulk state, especially in acidic medium. In this work, single Cu atoms and Cu clusters-anchored nitrogen-doped porous carbons are rationally developed. As electrocatalysts for ORR, half-wave potential (E1/2) of 0.88 V and diffusion limiting current density (JL) of 5.88 mA cm−2 can be achieved in 0.1 M KOH, exceeding the most of reported non-precious catalysts and commercial Pt/C. Significantly, as-prepared catalysts exhibit the state-of-the-art performance in acidic medium among all of reported Cu-based catalysts with the E1/2 of 0.80 V and JL of 5.86 mA cm−2. Theoretical calculations indicate that the nitrogen-coordinated Cu atoms are the dominating active sites, and the neighboring Cu cluster increases the electron density of d orbitals of single-Cu-atom, which weakened the O-O interaction, thus further boost ORR performance. This work not only presents a facile strategy to fabricate efficient catalysts but also identifies the great potential of Cu based materials for ORR in both alkaline and acidic media.

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