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

双功能 电催化剂 催化作用 碳纤维 材料科学 化学工程 析氧 无机化学 化学 电化学 电极 有机化学 复合数 复合材料 物理化学 工程类
作者
Tao Sun,Jūn Wang,Chuntian Qiu,Xiang Ling,Bingbing Tian,Aleksandra B. Djurišić,Chenliang Su
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:5 (7) 被引量:198
标识
DOI:10.1002/advs.201800036
摘要

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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