A Freestanding 3D Heterostructure Film Stitched by MOF‐Derived Carbon Nanotube Microsphere Superstructure and Reduced Graphene Oxide Sheets: A Superior Multifunctional Electrode for Overall Water Splitting and Zn–Air Batteries

材料科学 石墨烯 上部结构 碳纳米管 氧化物 微球 化学工程 纳米技术 电极 纳米管 异质结 复合材料 光电子学 冶金 海洋学 地质学 工程类 物理化学 化学
作者
Liting Yan,Yu-lin Xu,Pan Chen,Shuo Zhang,Huimin Jiang,Lingzhi Yang,Ying Wang,Li Zhang,Jianxing Shen,Xuebo Zhao,Lianzhou Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (48) 被引量:347
标识
DOI:10.1002/adma.202003313
摘要

Abstract Developing a scalable approach to construct efficient and multifunctional electrodes for the hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER), and oxygen reduction reaction (ORR) is an urgent need for overall water splitting and zinc–air batteries. In this work, a freestanding 3D heterostructure film is synthesized from a Ni‐centered metal−organic framework (MOF)/graphene oxide. During the pyrolysis process, 1D carbon nanotubes formed from the MOF link with the 2D reduced graphene oxide sheets to stitch the 3D freestanding film. The results of the experiments and theoretical calculations show that the synergistic effect of the N‐doped carbon shell and Ni nanoparticles leads to an optimized film with excellent electrocatalytic activity. Low overpotentials of 95 and 260 mV are merely needed for HER and OER, respectively, to reach a current density of 10 mA cm −2 . In addition, a high half‐wave potential of 0.875 V is obtained for the ORR, which is comparable to that of Pt/RuO 2 and ranks among the top of non‐noble‐metal catalysts. The use of an “all‐in‐one” film as the electrode leads to excellent performance of the homemade water electrolyzer and zinc–air battery, indicating the potential of the film for practical applications.
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