Cobalt, Nitrogen-Doped Porous Carbon Nanosheet-Assembled Flowers from Metal-Coordinated Covalent Organic Polymers for Efficient Oxygen Reduction

催化作用 材料科学 无机化学 化学工程 电化学 纳米片 碳化 纳米技术 有机化学 化学 电极 复合材料 物理化学 冶金 工程类 扫描电子显微镜
作者
Shan Chen,Yong Zheng,Bing Zhang,Yiyu Feng,Jixin Zhu,Jingsan Xu,Chao Zhang,Wei Feng,Tianxi Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (1): 1384-1393 被引量:60
标识
DOI:10.1021/acsami.8b16920
摘要

The breakthrough of nonprecious metal catalysts replacing platinum-based catalysts toward the oxygen reduction reaction (ORR) is extremely urgent for the development of high-efficiency energy conversation systems. Herein, a solution-processed condensation polymerization using cyanuric chloride and piperazine as the monomers was proposed for the synthesis of a nitrogen-rich covalent organic polymer (COP). High contents of precisely tailored pyridinic-N within the COP facilitate the formation of the Co/N coordination between Co ions and N species. As a result, the subsequent carbonization of the Co-coordinated COP led to the formation of the cobalt, nitrogen dual-doped porous carbon nanosheet-assembled flowers (Co/N-PCNF). The as-obtained Co/N-PCNF catalyst with a nearly 4-electron oxygen reduction pathway exhibits an excellent ORR catalytic activity with a half-wave potential of 0.835 V comparable to the commercial Pt/C catalysts (0.865 V). Most impressively, the Co/N-PCNF catalyst displays a long-term stability and a much better resistance to methanol than the Pt/C catalyst because of its high surface area, well-defined porous structure, and homogeneous distributions of active sites within the carbon matrix. Therefore, this work establishes an operating rule for tailored synthesis of COP-derived nonprecious metal catalysts offering high activity for the ORR in electrochemical energy conversations.
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