Dual Inorganic Sacrificial Template Synthesis of Hierarchically Porous Carbon with Specific N Sites for Efficient Oxygen Reduction

模板 材料科学 碳化 热解 化学工程 多孔性 纳米技术 金属有机骨架 分子 碳纤维 模板方法模式 吸附 有机化学 化学 复合材料 扫描电子显微镜 复合数 工程类
作者
Jiayu Hao,Yanqiu Wang,Xiaoqing Qiu,Min Liu,Wenzhang Li,Jie Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (24): 28140-28149 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsami.1c04942
摘要

It is still a challenge to achieve efficiently controlled preparation of functional oxygen reduction reaction (ORR) carbon electrocatalysts with multi-preferred structures (hierarchically porous networks and specific carbon-nitrogen bonds) from carbohydrate-containing small molecules via simple one-step pyrolysis. Based on the step-by-step spontaneous gas-foaming strategy, we successfully prepare 3D hierarchically porous networks with tunable N sites (NP/NG ≈ 1:1) by pyrolyzing diverse carbohydrates (glucose, maltose, and cyclodextrin) using nonmetal-metal dual inorganic sacrificial templates. In situ evaporation templates can simplify the procedure of the experiments and avoid the active site loss compared with traditional hard templates. Crucially, dual inorganic sacrificial templates can induce abundant defects and microscopic pore structures (the specific surface area increased from 922.403 to 1898.792 m2·g-1) and tunable N sites compared with single nonmetal sacrificial templates. The regulatory mechanism of dual inorganic templates on N sites (NP/NG ≈ 1:1) is independent of the polymeric state of carbohydrate precursors or even the carbonization condition of the pyrolysis process. A series of carbon materials prepared by this strategy all have ORR-preferred structures and exhibit low ORR overpotentials compared with Pt/C. For instance, the Zn-air battery with βCD-DSC-950-1 exhibits an open-circuit potential of 1.51 V and a peak power density of 180.89 mW·cm-2, higher than those of Pt/C (1.47 V, 174.94 mW·cm-2). In general, the conversion of carbohydrate-containing small molecules to functional carbon materials provides a new strategy for the development of carbonaceous electrocatalysts.
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