Graphitic‐Shell Encapsulation of Metal Electrocatalysts for Oxygen Evolution, Oxygen Reduction, and Hydrogen Evolution in Alkaline Solution

材料科学 析氧 石墨烯 化学工程 氧化物 电催化剂 纳米颗粒 分解水 催化作用 电化学能量转换 金属 无机化学 电化学 纳米技术 电极 冶金 化学 有机化学 物理化学 工程类 光催化
作者
Hadi Khani,Nicholas S. Grundish,David O. Wipf,John B. Goodenough
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:10 (1) 被引量:162
标识
DOI:10.1002/aenm.201903215
摘要

Abstract Developing highly efficient, cost effective, and environmentally friendly electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER), oxygen reduction reaction (ORR), and hydrogen evolution reaction (HER) is of interest for sustainable and clean energy technologies, including metal–air batteries and fuel cells. In this work, the screening of electrocatalytic activities of a series of single metallic iron, cobalt, and nickel nanoparticles and their binary and ternary alloys encapsulated in a graphitic carbon shell toward the OER, ORR, and HER in alkaline media is reported. Synthesis of these compounds proceeds by a two‐step sol–gel and carbothermal reduction procedure. Various ex situ characterizations show that with harsh electrochemical activation, the graphitic shell undergoes an electrochemical exfoliation. The modified electronic properties of the remaining graphene layers prevent their exfoliation, protect the bulk of the metallic cores, and participate in the electrocatalysis. The amount of near‐surface, higher‐oxidation‐state metals in the as‐prepared samples increases with electrochemical cycling, indicating that some metallic nanoparticles are not adequately encased within the graphite shell. Such surface oxide species provide secondary active sites for the electrocatalytic activities. The Ni–Fe binary system gives the most promising results for the OER, and the Co–Fe binary system shows the most promise for the ORR and HER.
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