Sustainable Synthesis of Co@NC Core Shell Nanostructures from Metal Organic Frameworks via Mechanochemical Coordination Self‐Assembly: An Efficient Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction

电催化剂 氧还原反应 材料科学 氧还原 化学工程 金属有机骨架 自组装 纳米结构 机械化学 纳米技术 金属 化学 电极 电化学 冶金 物理化学 有机化学 吸附 工程类
作者
Shaik Gouse Peera,Jayaraman Balamurugan,Nam Hoon Kim,Joong Hee Lee
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:14 (19): e1800441-e1800441 被引量:172
标识
DOI:10.1002/smll.201800441
摘要

Abstract Herein, a new type of cobalt encapsulated nitrogen‐doped carbon (Co@NC) nanostructure employing Zn x Co 1− x (C 3 H 4 N 2 ) metal–organic framework (MOF) as precursor is developed, by a simple, ecofriendly, solvent‐free approach that utilizes a mechanochemical coordination self‐assembly strategy. Possible evolution of Zn x Co 1− x (C 3 H 4 N 2 ) MOF structures and their conversion to Co@NC nanostructures is established from an X‐ray diffraction technique and transmission electron microscopy analysis, which reveal that MOF‐derived Co@NC core–shell nanostructures are well ordered and highly crystalline in nature. Co@NC–MOF core–shell nanostructures show excellent catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR), with onset potential of 0.97 V and half‐wave potential of 0.88 V versus relative hydrogen electrode in alkaline electrolyte, and excellent durability with zero degradation after 5000 potential cycles; whereas under similar experimental conditions, the commonly utilized Pt/C electrocatalyst degrades. The Co@NC–MOF electrocatalyst also shows excellent tolerance to methanol, unlike the Pt/C electrocatalyst. X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis shows the presence of ORR active pyridinic‐N and graphitic‐N species, along with CoN x C y and CoN x ORR active (M–N–C) sites. Enhanced electron transfer kinetics from nitrogen‐doped carbon shell to core Co nanoparticles, the existence of M–N–C active sites, and protective NC shells are responsible for high ORR activity and durability of the Co@NC–MOF electrocatalyst.
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