Engineering adjacent N, P and S active sites on hierarchical porous carbon nanoshells for superior oxygen reduction reaction and rechargeable Zn-air batteries

催化作用 杂原子 化学工程 电催化剂 碳纤维 材料科学 纳米壳 涂层 化学 无机化学 纳米技术 纳米颗粒 电极 有机化学 复合材料 电化学 工程类 物理化学 复合数 戒指(化学)
作者
Qingshan Zhao,Xiaojie Tan,Tengfei Liu,Shuai Hou,Wanxin Ni,Hao Huang,Jinqiang Zhang,Zhongxue Yang,Dawei Li,Han Hu,Mingbo Wu
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:633: 1022-1032 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2022.11.144
摘要

Heteroatom-doped carbon materials have been regarded as sustainable alternatives to the noble-metal catalysts for oxygen reduction reaction (ORR), while the catalytic performances still remain unsatisfactory. Herein, we develop a metal-free adjacent N, P and S-codoped hierarchical porous carbon nanoshells (NPS-HPCNs) through a novel layer-by-layer template coating method. The NPS-HPCNs is rationally fabricated by crosslinking of polyethyenemine (PEI) and phytic acid (PA) on nano-SiO2 template surface and subsequently coating of viscous sulfur-bearing petroleum pitch, followed by pyrolysis and alkaline etching. Soft X-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES) analysis and density functional theory (DFT) calculations prove the engineering of adjacent N, P and S atoms to generate synergistic and reinforced active sites for oxygen electrocatalysis. The NPS-HPCNs manifests excellent ORR activity with a half-wave potential (E1/2) of 0.86 V, as well as promoted durability and methanol tolerance in alkaline medium. Remarkably, the NPS-HPCNs-based Zn-air battery delivers an open-circuit voltage of 1.479 V, a considerable peak power density of 206 mW cm-2 and robust cycling stability (over 200 h), even exceeding the commercial Pt/C catalyst. This study offers fundamental insights into the construction and synergistic mechanism of adjacent heteroatoms on carbon substrate, providing advanced metal-free electrocatalysts for Zn-air batteries and other energy conversion and storage devices.
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