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Inhibiting carbon corrosion of cobalt-nitrogen-carbon materials via Mn sites for highly durable oxygen reduction reaction in acidic media

碳纤维 氧还原反应 氧气 腐蚀 氮气 化学 氧还原 无机化学 氧化还原 材料科学 化学工程 冶金 有机化学 电化学 复合材料 复合数 工程类 物理化学 电极
作者
Ruipeng Yuan,Jinyu Zhao,Chen Xu,Xiaoming Qiu,Xiaomin Wang
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:680 (Pt B): 712-722 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.11.115
摘要

Cobalt-nitrogen-carbon (CoN x C) materials are regarded as promising low-cost electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). However, their susceptibility to deactivation and poor stability in acidic media limits their practical applications. In this study, we develop cobalt (Co) and manganese (Mn) embedded in nitrogen-doped carbon (CoMnN x C) dual-site catalysts by incorporating Mn into CoN x C and leverage a synergistic dual-catalysis strategy to optimize both activity and stability. The dynamic evolution of *OOH intermediate on the catalyst surface is monitored via in situ Raman spectroscopy, confirming that Mn introduction modulates the reaction pathway. Due to electron transfer from Mn to the Co-N x center in CoMnN x C, *OOH activation on the surface is enhanced, and the two-electron ORR process is inhibited. Consequently, the CoMnN x C catalyst exhibits excellent ORR activity (E 1/2 = 0.76 V vs. reversible hydrogen electrode) and a very low hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) yield (<2.9 %) in acidic electrolyte. Additionally, the dynamic evolution of *OH on the Mn-N x site confirms that Mn-N x can serve as a potential catalytic site for the hydrogen peroxide reduction reaction (HPRR), facilitating H 2 O 2 decomposition. Differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) demonstrates that this parallel catalytic pathway effectively weaks the oxidative corrosion of H 2 O 2 on the carbon carrier. The results indicate that the negative half-wave potential shift of CoMnN x C catalysts in acidic electrolyte after 10,000 accelerated durability tests (ADT) is only 11 mV. The synergistic dual-catalytic strategy proposed in this work offers a novel approach for designing high-efficiency and stable transition metal-nitrogen-carbon catalysts.
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