Low‐Overpotential Electrocatalytic Water Splitting with Noble‐Metal‐Free Nanoparticles Supported in a sp3 N‐Rich Flexible COF

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作者
Dinesh Mullangi,Vishal M. Dhavale,Sorout Shalini,Shyamapada Nandi,Sean P. Collins,Tom K. Woo,Sreekumar Kurungot,Ramanathan Vaidhyanathan
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:6 (13) 被引量:144
标识
DOI:10.1002/aenm.201600110
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) are crystalline organic polymers with tunable structures. Here, a COF is prepared using building units with highly flexible tetrahedral sp 3 nitrogens. This flexibility gives rise to structural changes which generate mesopores capable of confining very small (<2 nm sized) non‐noble‐metal‐based nanoparticles (NPs). This nanocomposite shows exceptional activity toward the oxygen‐evolution reaction from alkaline water with an overpotential of 258 mV at a current density of 10 mA cm −2 . The overpotential observed in the COF‐nanoparticle system is the best in class, and is close to the current record of ≈200 mV for any noble‐metal‐free electrocatalytic water splitting system—the Fe–Co–Ni metal‐oxide‐film system. Also, it possesses outstanding kinetics (Tafel slope of 38.9 mV dec −1 ) for the reaction. The COF is able to stabilize such small‐sized NP in the absence of any capping agent because of the COF–Ni(OH) 2 interactions arising from the N‐rich backbone of the COF. Density‐functional‐theory modeling of the interaction between the hexagonal Ni(OH) 2 nanosheets and the COF shows that in the most favorable configuration the Ni(OH) 2 nanosheets are sandwiched between the sp 3 nitrogens of the adjacent COF layers and this can be crucial to maximizing their synergistic interactions.
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