Highly active Fe-N-reduced graphene oxide electrocatalysts using sustainable amino acids as nitrogen source

催化作用 化学 石墨烯 无机化学 氧化物 X射线光电子能谱 热解 材料科学 化学工程 有机化学 纳米技术 工程类
作者
Heresh Rayej,Mohammad Reza Vaezi,Behzad Aghabarari,Ramiro Ruíz-Rosas,Juana M. Rosas,José Rodríguez‐Mirasol,Tomás Cordero
出处
期刊:Fuel [Elsevier BV]
卷期号:313: 122985-122985 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.fuel.2021.122985
摘要

• Direct synthesis of electrocatalysts from amino acids, iron nitrate and GO. • Amino acids as sustainable nitrogen source for N-doping of GO. • Higher iron dispersion, structural order, and conductivity with histidine. • 30 mV behind platinum catalysts in alkaline electrolyte. This work reports the preparation of oxygen reduction reaction catalysts by pyrolysis of a mixture of Fe(NO 3 ) 3 and graphene oxide (GO) functionalized with three different amino acids, Arginine (Arg), Cysteine (Cys), Histidine (His). The combination of TPD, FTIR and XPS revealed that the functionalization of GO rendered a reduction of epoxide and carboxyl surface groups at along with the preferential generation of amide bridges. XPS confirmed the incorporation of nitrogen in edge and quaternary positions of the graphene layers after the pyrolysis at 800 °C of the amino acid functionalized GO mainly in form of pyridines (Arg), pyrroles (Cys) and quaternary nitrogen (His). XRD and XPS showed that most iron is retained after pyrolysis in the form of crystalline Fe 3 O 4 and in a lesser extend as Fe 2 O 3 . The amount, distribution, and particle size of iron species on the pyrolyzed samples relies on the amino acid used for the modification, with histidine rendering the lower retained amount and higher dispersion. Raman analyses pointed out that the structural order seems to follow the order His > Cys > Arg. The electrochemical characterization revealed that, in spite of having a lower iron content, Fe-rGO-His shows a higher double layer capacitance, improved conductivity and enhanced ORR activity than their counterparts, delivering onset and half-wave potentials only 30 mV behind the current state-of-the-art platinum–carbon black catalyst. These results confirm that amino acids, and specially Histidine, can be interesting N-dopant agents for the preparation of nitrogen-iron graphene electrocatalysts with excellent ORR activities.
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