Ni/Fe Clusters and Nanoparticles Confined by Covalent Organic Framework Derived Carbon as Highly Active Catalysts toward Oxygen Reduction Reaction and Oxygen Evolution Reaction

双功能 塔菲尔方程 催化作用 纳米颗粒 共价键 电解质 共价有机骨架 化学 碳纳米管 材料科学 析氧 电催化剂 化学工程 碳纤维 无机化学 纳米技术 有机化学 电化学 物理化学 电极 复合材料 复合数 工程类
作者
Qing Xu,Jing Qian,Dan Luo,Guojuan Liu,Yu Guo,Gaofeng Zeng
出处
期刊:Advanced sustainable systems [Wiley]
卷期号:4 (9) 被引量:49
标识
DOI:10.1002/adsu.202000115
摘要

Abstract Developing bifunctional electrocatalysts with high activity toward the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) is of great significance for metal–air batteries. Herein, a covalent organic framework (COF)‐derived bifunctional electrocatalyst toward the ORR and the OER is demonstrated, in which the COF‐derived carbon on carbon nanotubes is used as the support to anchor active bimetal Ni/Fe clusters and nanoparticles. Since Ni/Fe ions are immobilized in the pore channels of the COFs, the aggregation and migration of ions under pyrolysis are effectively hindered. In addition, the COF‐derived carbon‐made catalyst features abundant nitrogen content and a high mesoporous volume. As a result, the catalyst displays ultrahigh ORR activity, with a half‐wave potential of 0.87 V versus reversible hydrogen electrode in 0.1 m KOH electrolyte. Moreover, the catalyst achieves a low operating potential of 1.55 V at a current density of 10 mA cm −2 , with a Tafel slop of 61 mV decade −1 for OER in 0.1 m KOH, superior to most oxygen electrocatalysts. Furthermore, the catalyst also exhibits remarkable performance in Zn–air batteries. This work demonstrates a new insight into developing bifunctional catalysts from COFs.
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