Single-Cu-atoms anchored on 3D macro-porous carbon matrix as efficient catalyst for oxygen reduction and Pt co-catalyst for methanol oxidation

催化作用 甲醇 多孔性 氧还原 碳纤维 氧气 化学 基质(化学分析) 氧还原反应 化学工程 材料科学 无机化学 有机化学 物理化学 色谱法 电化学 复合材料 电极 工程类 复合数
作者
Jin Ma,Bin Liu,Rongyue Wang,Zhiyao Sun,Ying Zhang,Yubo Sun,Zhuang Cai,Yao Li,Jinlong Zou
出处
期刊:Chinese Chemical Letters [Elsevier BV]
卷期号:33 (5): 2585-2589 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.cclet.2021.09.108
摘要

Single metal atoms immobilized on a carbon substrate are of great potential for enhancing the catalytic activities for oxygen reduction and methanol oxidation reactions (ORR/MOR) owing to the maximized atom utilization. Herein, single copper atoms (SCAs) are loaded on macro-porous nitrogen-doped carbon (Cu-NC) derived from zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8), which are used as catalysts for ORR and Pt-supports for MOR. For ORR, the catalyst marked as Cu-NC-3 exhibits a higher peak potential of 0.87 V ( vs. Reversible hydrogen electrode) than that of commercial Pt/C (0.83 V), mainly attributing to that the 3D macro-porous structure of Cu-NC-3 provides adequate space for uniform dispersion of SCAs as the main active species, and smooth diffusion pathways for fast transport of substances (O 2 , H 2 O), therefore reducing the overpotential and the intermediate (H 2 O 2 ) generation to enhance ORR activity. For MOR, Pt-Cu-NC-3 has a higher mass activity of 1217.4 mA/mg Pt than that of Pt/C (752.4 mA/mg Pt ), and its activity maintenance (decline of 27.6%) is also better than Pt/C (decline of 44.0%) after 5000 cyclic voltammetry (CV) cycles. The interactions between SCAs and Pt nanoparticles should facilitate the generation of OH − from water molecules, which can fast eliminate the adsorbed CO to recover the Pt active sites to improve MOR performance. This synthesis strategy affords a new inspiration to prepare single metal atoms loaded on ZIFs-derived macro-structure with diverse activities for ORR/MOR.
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