[2,1,3]-Benzothiadiazole-Spaced Co-Porphyrin-Based Covalent Organic Frameworks for O2 Reduction

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作者
Subhajit Bhunia,Armando Peña,Huifang Li,Hong Li,Mohamed Fathi Sanad,Pranay Saha,Matthew A. Addicoat,Kotaro Sasaki,T. Amanda Strom,Miguel Yacaman,Carlos R. Cabrera,Ram Seshadri,Santanu Bhattacharya,Jean‐Luc Brédas,Luís Echegoyen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (4): 3492-3505 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c09838
摘要

Designing N-coordinated porous single-atom catalysts (SACs) for the oxygen reduction reaction (ORR) is a promising approach to achieve enhanced energy conversion due to maximized atom utilization and higher activity. Here, we report two Co(II)-porphyrin/ [2,1,3]-benzothiadiazole (BTD)-based covalent organic frameworks (COFs; Co@rhm-PorBTD and Co@sql-PorBTD), which are efficient SAC systems for O2 electrocatalysis (ORR). Experimental results demonstrate that these two COFs outperform the mass activity (at 0.85 V) of commercial Pt/C (20%) by 5.8 times (Co@rhm-PorBTD) and 1.3 times (Co@sql-PorBTD), respectively. The specific activities of Co@rhm-PorBTD and Co@sql-PorBTD were found to be 10 times and 2.5 times larger than that of Pt/C, respectively. These COFs also exhibit larger power density and recycling stability in Zn–air batteries compared with a Pt/C-based air cathode. A theoretical analysis demonstrates that the combination of Co-porphyrin with two different BTD ligands affords two crystalline porous electrocatalysts having different d-band center positions, which leads to reactivity differences toward alkaline ORR. The strategy, design, and electrochemical performance of these two COFs offer a pyrolysis-free bottom-up approach that avoids the creation of random atomic sites, significant metal aggregation, or unpredictable structural features.
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