B-Doped MnN4-G Nanosheets as Bifunctional Electrocatalysts for Both Oxygen Reduction and Oxygen Evolution Reactions

双功能 析氧 电催化剂 石墨烯 兴奋剂 化学 掺杂剂 氧化还原 材料科学 非金属 过电位 贵金属 金属 电化学 无机化学 催化作用 纳米技术 电极 有机化学 物理化学 光电子学
作者
Wei Zhang,Keke Mao,Xiao Cheng Zeng
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:7 (22): 18711-18717 被引量:52
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.9b05393
摘要

Non-platinum-group (NPG) single-metal-atom electrocatalysts with bifunctional catalytic capabilities for both oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) are highly sought for producing sustainable and renewable energy sources. Doping nonmetal atoms next to the active single-metal-atom can be an effective way to further improve the overall catalytic activities. Herein, we report a nonmetal B-doping strategy for enhancing the catalytic activity of the graphene-based single-metal-atom Mn-pyridine-N4-graphene catalysts [named MnN4Bn-G (n = 0–8)] toward ORR and OER. The underlying chemical mechanism for this design is that the B dopant can lower the charge density corresponding to the d-orbital of the Mn atom, thereby weakening the adsorption strength of oxygen intermediates (O/OH/OOH) on the active Mn site, leading to higher ORR electrocatalytic activity. Not only can this doping strategy enhance ORR activity, but it can also retain high OER activity. Our results show that the MnN4B5-G catalyst entails both relatively high onset potential for ORR (Uonset = 0.78 V) and relatively low overpotential for OER (ηover = 0.43 V), rendering it being a compelling oxygen redox bifunctional electrocatalyst. The newly designed single-metal-atom Mn-pyridine-N4-graphene catalysts offer alternative NPG metals and bifunctional catalysts for renewable energy applications.
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