Constructing Asymmetrical Coordination Microenvironment with Phosphorus‐Incorporated Nitrogen‐Doped Carbon to Boost Bifunctional Oxygen Electrocatalytic Activity

双功能 电催化剂 材料科学 杂原子 析氧 催化作用 碳纤维 氧还原 化学工程 无机化学 电极 化学 电化学 有机化学 物理化学 工程类 复合材料 复合数 戒指(化学)
作者
Zhijun Li,Siqi Ji,Hongxue Liu,Chang Xu,Chunmin Guo,Xue Lü,Haixin Sun,Shuo Dou,Shixuan Xin,J. Hugh Horton,Cheng He
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (18) 被引量:82
标识
DOI:10.1002/adfm.202314444
摘要

Abstract Carbon‐based metal‐free electrocatalysts have been recognized as inexpensive alternatives to afford excellent activity in oxygen reduction/evolution reactions (ORR/OER). Nevertheless, precisely identifying the local active sites and tailoring the corresponding electronic properties to enhance the reaction kinetics remain challenging. Herein, a facile strategy to create a metal‐free electrocatalyst comprised of a mesoporous nitrogen‐doped carbon matrix with phosphorus incorporation (NPC) is described. The as‐prepared NPC‐950 electrocatalyst demonstrates superior ORR activity under alkaline and acidic conditions with half‐wave potentials of 0.88 and 0.72 V, respectively, comparable to commercial Pt/C (0.85 and 0.76 V) and overwhelmingly superior to other N‐doped carbon catalyst materials. In addition, a remarkable promotion of OER activity under alkaline conditions is observed. Notably, a zinc–air battery equipped with this NCP‐950 electrocatalyst exhibits exceptional performance in peak power density, specific capacity, and long‐term operation durability. Theoretical calculations uncover that the incorporation of phosphorus in NC material results in effective charge density redistribution, thus modulating the electronic properties of active sites to achieve optimum adsorption and desorption of ORR intermediates. The work provides a deep understanding of active sites in heteroatom‐doped carbon materials and highlights the importance of the electronic properties modulation in oxygen bifunctional electrocatalytic activity.
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