Iron carbide nanoparticles supported on an N-doped carbon porous framework as a bifunctional material for electrocatalytic oxygen reduction and supercapacitors

超级电容器 双功能 材料科学 电化学 电解质 纳米颗粒 纳米材料 化学工程 纳米技术 催化作用 碳纤维 多孔性 电极 复合数 化学 复合材料 有机化学 物理化学 工程类
作者
Zengyu Han,Wenfang Cai,Shifeng Zhao,Yi Zhao,Jirui Bai,Qing-Yun Chen,Yunhai Wang
出处
期刊:Nanoscale [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (48): 18157-18166
标识
DOI:10.1039/d2nr05620h
摘要

Highly active and durable bifunctional materials are of pivotal importance for energy conversion and storage devices, yet a comprehensive understanding of their geometric and electronic influence on electrochemical activity is urgently needed. Fe-N-C materials with physical and chemical structural merits are considered as one of the promising candidates for efficient oxygen reduction reaction electrocatalysts and supercapacitor electrodes. Herein, Fe3C nanoparticles supported on a porous N-doped carbon framework (denoted as Fe3C/PNCF) were readily prepared by one-step chemical vapor deposition under the assistance of a NaCl salt template. The experiment results revealed that the as-synthesized Fe3C/PNCF nanocomposites successfully displayed attractive electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) activity comparable to that of the Pt/C catalyst (E1/2 of 0.84 V and 0.83 V, respectively), and a superior capacitance of 385.3 F g-1 under 1 A g-1 for a supercapacitor. It's proposed that the increased pyridinic and graphitic N coordination on the hydrophilic porous framework provides more electrochemical active surface area for the storage and transport of electrolyte ions. Additionally, an appropriate d-band center created by the optimized adsorption function endows Fe3C/PNCF with excellent electrochemical properties. The results confirmed that the integration strategy of porous heterogeneous structure and accessible active sites balanced the complex relationship between geometry, electronic structure, and electrochemical activity. Our research provides a facile approach for fabricating multi-functional nanomaterials applicable in both ORR and supercapacitors in the future.
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