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Hierarchical N-doped CNTs grafted onto MOF-derived porous carbon nanomaterials for efficient oxygen reduction

纳米材料 材料科学 碳纳米管 化学工程 热解 煅烧 电催化剂 碳纤维 吸附 金属有机骨架 催化作用 纳米技术 多孔性 电化学 化学 电极 复合数 复合材料 有机化学 工程类 物理化学
作者
Yuanyuan Guo,Anrui Dong,Qi Huang,Qipeng Li,Yue Hu,Jinjie Qian,Shaoming Huang
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:606: 1833-1841 被引量:39
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2021.08.180
摘要

The rational design and preparation of nonprecious metal-based oxygen reduction reaction (ORR) catalysts to facilitate electron and mass transport are of great significance in oxygen-involved energy applications. Herein, a stepwise approach to synthesize a type of hierarchically porous N-doped carbon nanotubes (CNTs) grafted onto zinc-based coordination polymer derived carbon nanomaterials (M-NCNT, M = Fe/Co/Ni) is proposed. At first, an isostructural zinc-based metal-organic framework (MOF) to HKUST-1(Cu) (ZnHKUST-1) is solvothermally prepared, and then under pyrolysis to obtain MOF-derived porous carbon. After the secondary calcination, the in-situ formed N-doped CNTs are efficiently catalyzed by iron group metal-based nanoparticles (Fe/Co/Ni), which are thermally reduced by porous carbon together with additional urea. The synergistic effect between ultrahigh porosity, large surface area, suitable N-doping, high graphitization degree, and ultrafine metal particles prompts M-NCNT series to exhibit satisfactory electrocatalysis in oxygen reduction. Among them, Fe-NCNT owns the optimal ORR activity with high positive onset potential (0.987 V), half-wave potential (0.860 V) and large diffusion-limited current density (4.893 mA cm-2). Meanwhile, it shows a high current retention of 90.7% after the 24-hour stability, and the obtained Zn-air battery by Fe-NCNT with open-circuit voltage of 1.44 V owns moderate capacity and satisfying stability. The demonstrated method to prepare hierarchically porous N-doped carbon nanomaterials stemmed from MOF precursors unfolds a new route for the facile construction of efficient nanocatalysts for advanced energy applications.
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