B, N Codoped and Defect‐Rich Nanocarbon Material as a Metal‐Free Bifunctional Electrocatalyst for Oxygen Reduction and Evolution Reactions

双功能 氧还原反应 电催化剂 催化作用 氧还原 材料科学 化学工程 析氧 金属 还原(数学) 纳米技术 化学 电化学 电极 冶金 有机化学 物理化学 工程类 几何学 数学
作者
Tao Sun,Jun Wang,Chuntian Qiu,Xiang Ling,Bingbing Tian,Wei Chen,Chenliang Su
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:5 (7): 1800036-1800036 被引量:286
标识
DOI:10.1002/advs.201800036
摘要

Abstract The development of highly active, inexpensive, and stable bifunctional oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) catalysts to replace noble metal Pt and RuO2 catalysts remains a considerable challenge for highly demanded reversible fuel cells and metal–air batteries. Here, a simple approach for the facile construction of a defective nanocarbon material is reported with B and N dopants (B,N‐carbon) as a superior bifunctional metal‐free catalyst for both ORR and OER. The catalyst is prepared by pyrolyzing the composites of ethyl cellulose and high‐boiling point 4‐(1‐naphthyl)benzeneboronic acid in NH3 atmosphere with an inexpensive Zn‐based template. The obtained porous B,N‐carbon with rich carbon defects exhibits excellent ORR and OER performances, including high activity and stability. In alkaline medium, B,N‐carbon material shows high ORR activity with an onset potential (Eonset) reaching 0.98 V versus reversible hydrogen electrode (RHE), very close to that of Pt/C, a high electron transfer number and excellent stability. This catalyst also presents the admirable ORR activity in acidic medium with a high Eonset of 0.81 V versus RHE and a four‐electron process. The OER activity of B,N‐carbon is superior to that of the precious metal RuO2 and Pt/C catalysts. A Zn–air battery using B,N‐carbon as the air cathode exhibits a low voltage gap between charge and discharge and long‐term stability. The excellent electrocatalytic performance of this porous nanocarbon material is attributed to the combined positive effects of the abundant carbon defects and the heteroatom codopants.
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