Controlled Fabrication of Hierarchically Structured Nitrogen‐Doped Carbon Nanotubes as a Highly Active Bifunctional Oxygen Electrocatalyst

材料科学 碳纳米管 催化作用 电催化剂 化学工程 氧化物 析氧 纳米颗粒 双功能 氧化钴 纳米技术 退火(玻璃) 无机化学 复合材料 电化学 电极 有机化学 化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Xianglong Zhao,Feng Li,Ruining Wang,Jeong‐Min Seo,Hyun‐Jung Choi,Sun‐Min Jung,Javeed Mahmood,In‐Yup Jeon,Jong‐Beom Baek
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:27 (9) 被引量:89
标识
DOI:10.1002/adfm.201605717
摘要

Hierarchically structured nitrogen‐doped carbon nanotube (NCNT) composites, with copper (Cu) nanoparticles embedded uniformly within the nanotube walls and cobalt oxide (Co x O y ) nanoparticles decorated on the nanotube surfaces, are fabricated via a combinational process. This process involves the growth of Cu embedded CNTs by low‐ and high‐temperature chemical vapor deposition, post‐treatment with ammonia for nitrogen doping of these CNTs, precipitation‐assisted separation of NCNTs from cobalt nitrate aqueous solution, and finally thermal annealing for Co x O y decoration. Theoretical calculations show that interaction of Cu nanoparticles with CNT walls can effectively decrease the work function of CNT surfaces and improve adsorption of hydroxyl ions onto the CNT surfaces. Thus, the activities of the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) are significantly enhanced. Because of this benefit, further nitrogen doping, and synergistic coupling between Co x O y and NCNTs, Cu@NCNT/Co x O y composites exhibit ORR activity comparable to that of commercial Pt/C catalysts and high OER activity (outperforming that of IrO 2 catalysts). More importantly, the composites display superior long‐term stability for both ORR and OER. This simple but general synthesis protocol can be extended to design and synthesis of other metal/metal oxide systems for fabrication of high‐performance carbon‐based electrocatalysts with multifunctional catalytic activities.
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