Enhancement in Kinetics of the Oxygen Reduction Reaction on a Nitrogen-Doped Carbon Catalyst by Introduction of Iron via Electrochemical Methods

催化作用 动力学 电化学 氧还原反应 碳纤维 化学 氮气 氧气 无机化学 氧还原 兴奋剂 化学工程 电极 材料科学 物理化学 有机化学 复合材料 光电子学 工程类 物理 复合数 量子力学
作者
Jiajia Wu,Da Zhang,Hideharu Niwa,Yoshihisa Harada,Masaharu Oshima,Hironori Ofuchi,Yuta Nabae,Takeyoshi Okajima,Takeo Ohsaka
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:31 (19): 5529-5536 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5b00310
摘要

The iron (Fe) electrodeposition–electrochemical dissolution has been employed on nitrogen-doped carbon material (P-PI) prepared via multi-step pyrolysis of a polyimide precursor to achieve the introduction of Fe species, and its influence on the oxygen reduction reaction (ORR) is investigated by cyclic and rotating ring-disk electrode voltammetry in 0.5 M H2SO4. After the electrochemical treatment, the overpotential and H2O2 production percentage of ORR on the P-PI are decreased and the number of electrons transferred is increased in the meanwhile. In combination with the results of X-ray absorption fine structure spectra, the presence of Fe–Nx sites (Fe ions coordinated by nitrogen) is believed to be responsible for the improved ORR performance. Further kinetic analysis indicates that a two-electron reduction of O2 is predominant on the untreated P-PI with coexistence of a direct four-electron transformation of O2 to H2O, while the introduction of Fe species leads to a larger increase in the rate constant for the four-electron reduction than that for the two-electron process, being in good agreement with the view that Fe–Nx sites are active for four-electron ORR.

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