Metal‐Free Multi‐Heteroatom‐Doped Carbon Bifunctional Electrocatalysts Derived from a Covalent Triazine Polymer

杂原子 双功能 催化作用 材料科学 碳化 析氧 无机化学 电解质 电催化剂 化学工程 共价键 碳纤维 化学 电极 有机化学 电化学 工程类 物理化学 复合数 复合材料 扫描电子显微镜 戒指(化学)
作者
Yong Zheng,Hui Song,Shan Chen,Xiaohui Yu,Jixin Zhu,Jingsan Xu,Kai A. I. Zhang,Chao Zhang,Tianxi Liu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:16 (47): e2004342-e2004342 被引量:164
标识
DOI:10.1002/smll.202004342
摘要

Abstract The construction of multi‐heteroatom‐doped metal‐free carbon with a reversibly oxygen‐involving electrocatalytic performance is highly desirable for rechargeable metal‐air batteries. However, the conventional approach for doping heteroatoms into the carbon matrix remains a huge challenge owing to multistep postdoping procedures. Here, a self‐templated carbonization strategy to prepare a nitrogen, phosphorus, and fluorine tri‐doped carbon nanosphere (NPF‐CNS) is developed, during which a heteroatom‐enriched covalent triazine polymer serves as a “self‐doping” precursor with C, N, P, and F elements simultaneously, avoiding the tedious and inefficient postdoping procedures. Introducing F enhances the electronic structure and surface wettability of the as‐obtained catalyst, beneficial to improve the electrocatalytic performance. The optimized NPF‐CNS catalyst exhibits a superb electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) activity, long‐term durability in pH‐universal conditions as well as outstanding oxygen evolution reaction (OER) performance in an alkaline electrolyte. These superior ORR/OER bifunctional electrocatalytic activities are attributed to the predesigned heteroatom catalytic active sites and high specific surface areas of NPF‐CNS. As a demonstration, a zinc‐air battery using the NPF‐CNS cathode displays a high peak power density of 144 mW cm −2 and great stability during 385 discharging/charging cycles, surpassing that of the commercial Pt/C catalyst.
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