Impact of Anion Exchange Ionomers on the Electrocatalytic Performance for the Oxygen Reduction Reaction of B-N Co-doped Carbon Quantum Dots on Activated Carbon

材料科学 透氧性 联苯 掺杂剂 电极 化学工程 碳纤维 氧气 无机化学 复合数 兴奋剂 有机化学 化学 复合材料 物理化学 工程类 光电子学
作者
Ashwini Reddy Nallayagari,Emanuela Sgreccia,Luca Pasquini,Marco Sette,Philippe Knauth,Maria Luisa Di Vona
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (41): 46537-46547 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsami.2c11802
摘要

Composite electrocatalytic electrodes made from B-N co-doped carbon quantum dots (CQD) and various anion exchange ionomers (AEI) are studied for the oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline solutions. The quantity and positions of dopants in CQD, prepared by hydrothermal synthesis, are analyzed by various spectroscopies, including 11B NMR spectroscopy that evidenced boronic acid at edge sites. The AEI are synthesized with various backbones, including more hydrophilic polysulfone, hydrophobic poly(alkylene biphenyl), and poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) with intermediate hydrophilicity; the functional groups are trimethylammonium moieties grafted on long (LC) or short (SC) side chains. The CQD/AEI ink is drop-casted on activated carbon paper, and the samples are fixed on a rotating disk electrode and studied in three-electrode configuration in oxygen-saturated 0.1 M KOH. The onset potentials are among the best in the literature (Eonset ≈ 0.94 V vs RHE). The highest electrocatalytic activity is observed for electrodes containing AEI with long side chains; the sample containing PPO LC attains excellent ORR currents approaching that of benchmark Pt/C cloth. The electrocatalytic performances are discussed in view of the many relevant AEI parameters, including hydrophilicity, oxygen permeability, catalyst dispersivity, and ionic conductivity.
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