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Co3O4@carbon with high Co2+/Co3+ ratios derived from ZIF-67 supported on N-doped carbon nanospheres as stable bifunctional oxygen catalysts

双功能 过电位 材料科学 电催化剂 碳纤维 催化作用 化学工程 析氧 无机化学 碳化 化学 物理化学 有机化学 电极 电化学 复合材料 工程类 复合数 扫描电子显微镜
作者
Yaao Li,Jiaqi Li,Ying Dai,Xiaogang Li,Changwei Shao,Yuan Sun,Rui Wang,Jinlong Zou
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier]
卷期号:21: 100737-100737 被引量:51
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2021.100737
摘要

Zeolite imidazole framework-67 (ZIF-67) derivatives are increasingly used for oxygen reduction and evolution reactions (ORR/OER). Many fundamental issues concerning their structure-bifunctional activity relationships still remain unknown. Here, we use nitrogen-doped carbon nanospheres (NCS) to support ZIF-67-derived Co3O4@carbon to obtain Co3O4@Z67/NCS catalysts with the assistance of polyvinylpyrrolidone. Carbonization temperatures have great effects on the structure and active-component changes of Co3O4@Z67/NCS. Co3O4@Z67/NCS-850 (850 °C) with the Co2+/Co3+ ratio of 1.58 shows the promising bifunctional (ORR/OER) activity (ΔE = Ej=10 (1.55 V)-E1/2 (0.812 V) = 0.738 V) and long-term stability via the 4e− process in alkaline electrolytes. Co3O4@Z67/NCS-850 exhibits a comparable half wave potential of 0.812 V with a better ORR durability (an activity decline of 16.3% after 30,000 s) and methanol resistance, by comparing with commercial Pt/C (0.817 V and 29.1%). For OER, Co3O4@Z67/NCS-850 obtains a low overpotential of 0.32 V at 10 mA/cm2 and a low charge transfer resistance of 9.69 Ω. The active-sites (Co2+ (ORR) and Co3+-CoOOH (OER)) on Co3O4 are well protected by carbon shell (Z67), which can hinder the fast deactivation (corrosion and agglomeration) of Co3O4 during electrocatalysis. The high porosity (387.88 m2/g) of Z67/NCS-850 should facilitate the mass transfer through the pores to promote the in situ electrochemical O2 reduction/evolution on the Co and/or N active sites. These results not only find the relationships between structure/components and ORR/OER activities but also indicate a direction on promoting ZIF-derived catalysts.
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