Understanding Oxygen Activation on Metal- and Nitrogen-Codoped Carbon Catalysts

催化作用 碳纤维 氮气 氧气 金属 化学 氧还原反应 无机化学 材料科学 化学工程 有机化学 电化学 复合数 物理化学 工程类 复合材料 电极
作者
David Eisenberg,Thierry K. Slot,Gadi Rothenberg
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (9): 8618-8629 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acscatal.8b01045
摘要

Multidoped carbons are often used for oxygen activation catalysis, both in heterogeneous catalysis and electrocatalysis. Identifying their catalytic sites is crucial for developing better catalysts. We now report an in-depth study into O2 activation on an important class of materials: carbons codoped by nitrogen and 10 different metals (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, and Pb). To identify catalytic sites, we studied their composition and structure (both bulk and surface) by a wide range of techniques, including temperature-programmed reduction, X-ray diffraction, electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and N2 sorption porosimetry. The O2 activation step was studied by electrochemical oxygen reduction. To assign active sites, the electrocatalytic activity, selectivity, and stability were correlated to material composition and to known reactivity pathways. Two types of sites for O2 activation were identified and assigned for each multidoped material: (1) particles of partially reduced metal oxides and (2) metal–nitrogen clusters embedded into the carbon matrix. The detailed assignment correlates to activity in alcohol oxidation through similar volcano plots and leads to practical suggestions for catalyst development.
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