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Hierarchical Nitrogen-Doped Carbon: A Versatile Catalyst for Oxygen Reduction and Evolution Reactions

塔菲尔方程 过电位 催化作用 析氧 双功能 材料科学 电子转移 碳纤维 氮气 化学工程 纳米技术 化学 电化学 光化学 物理化学 电极 有机化学 复合材料 复合数 工程类
作者
Anand Parkash,Adeel Mukhtar Arain,Masroor Abro
出处
期刊:ECS Journal of Solid State Science and Technology [Institute of Physics]
卷期号:13 (8): 081003-081003
标识
DOI:10.1149/2162-8777/ad709f
摘要

This study presents the synthesis and characterization of hierarchical nitrogen-doped carbon (HCN-900), demonstrating remarkable electrocatalytic performance for both the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER), outperforming traditional catalysts like RuO₂ and Pt/C. HCN-900 exhibits an onset potential of 0.98 V and a half-wave potential of 0.85 V for ORR, closely matching Pt/C performance while achieving an electron transfer number of 4.0, indicative of a four-electron pathway. For OER, HCN-900 achieves a current density of 10 mA cm⁻ 2 at an overpotential of 223 mV, significantly lower than RuO₂ (288 mV) and Pt/C (363 mV). The material also shows a Tafel slope of 87 mV dec⁻¹, indicating rapid kinetics and efficient electron transfer. This impressive performance is attributed to the optimized structural and electronic properties of HCN-900, including its high surface area, hierarchical porosity, and nitrogen doping, which enhance active site density and promote electron transport. Furthermore, HCN-900 retains approximately 96.72% of its initial performance after 10 h of continuous operation, demonstrating excellent long-term stability. The comprehensive analysis highlights HCN-900 as a promising bifunctional catalyst for advanced energy applications, providing a cost-effective and sustainable alternative to conventional catalysts. Its superior electrocatalytic properties make HCN-900 an excellent candidate for integration into next-generation energy conversion and storage systems.

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