Metal-Free Oxygen Evolution and Oxygen Reduction Reaction Bifunctional Electrocatalyst in Alkaline Media: From Mechanisms to Structure–Catalytic Activity Relationship

双功能 电催化剂 析氧 化学 催化作用 电化学 无机化学 掺杂剂 杂原子 金属 双功能催化剂 兴奋剂 材料科学 物理化学 电极 有机化学 戒指(化学) 光电子学
作者
Chi H. Lee,Byeongsun Jun,Sang Uck Lee
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:6 (4): 4973-4980 被引量:72
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.7b04608
摘要

We have systematically investigated a metal-free bifunctional electrocatalyst of heteroatom-doped carbon nitride (XY-C3N4, where X and Y indicate the dopant and doping site on C3N4, respectively) for oxygen evolution and oxygen reduction reactions (OER and ORR), considering the possible reaction pathways based on the Eley–Rideal (ER) mechanism as well as the doping effects on electrocatalytic activity. In this work, the relative stability of O* and OOH* intermediates was a key factor in determining the ORR pathway; accordingly, ORR follows a two-step reaction pathway governed by O* rather than a four-step reaction pathway governed by OOH*. In addition, we found that P and S codoped C3N4 shows superior OER/ORR activity with synergistic geometric and electronic effects, which coordinatively increase unsaturated sp3-C via structural deformation and improve electrical conductance by modulating the electronic structure with extra electrons from dopants. In particular, PCSC-C3N4 (C3N4 with P and S codoped at the carbon site) shows better bifunctional performance of OER/ORR with competitive overpotentials at 0.42 and 0.27 V, respectively, compared to conventional Pt and RuO2 catalysts. Therefore, our theoretical investigations suggest that PCSC-C3N4 is the most promising bifunctional OER/ORR electrocatalyst with synergistic effects in several electrochemical devices.
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