Metal-Free N, P-Codoped Porous Carbon Fibers for Oxygen Reduction Reactions

氧还原反应 金属 多孔性 氧气 氧还原 碳纤维 材料科学 化学工程 化学 复合材料 冶金 电化学 电极 有机化学 复合数 物理化学 工程类
作者
Yanping Xie,Ya Yang,Qiuju Zhou,Lingling Wang,Yiqi Yao,Xiuyu Zhu,Liang Fang,Hongbin Zhao,Jiujun Zhang
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:166 (12): H549-H555 被引量:11
标识
DOI:10.1149/2.1111912jes
摘要

Developing efficient oxygen reduction reaction (ORR) catalysts is deemed important and valuable for fuel cells and rechargeable metal-air batteries. Various metal-free electrocatalysts are highly considered as desirable ORR electrocatalysts due to their enhanced ORR activity and durability. Here, we report a facile, low cost and effective strategy to synthesize metal-free N, P-codoped porous carbon fibers (NPCF) via the simple pyrolysis of inexpensive polypyrrole as nitrogen source and phosphoric acid as phosphorus source. Results indicate that the NPCF-2 catalyst with large surface area (1569.3 m2 g−1) and high density of graphitic N, pyridinic N and P-C bonding exhibits outstanding alkaline ORR catalytic activity, long-term durability and high methanol tolerance, which is ascribed to the homogenous distribution of nitrogen and phosphorus atoms in the carbon fibers, rich micro/mesoporous structure and the synergistic effects of nitrogen and phosphorus atoms around the adjacent carbon atoms. Especially, the active graphitic N, pyridinic N and P atoms in the carbon fibers can regulate the electronic structure of carbon atoms, making the nitrogen, phosphorus and adjacent carbon atoms as active sites to promote ORR performance. This work provides a simple scalable and low-cost approach to produce metal-free N, P-codoped porous carbon as effective alternative to Pt-based electrocatalysts.
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