Operando Insight into the Oxygen Evolution Kinetics on the Metal-Free Carbon-Based Electrocatalyst in an Acidic Solution

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作者
Xu Zhao,Hui Su,Weiren Cheng,Hui Zhang,Wei Che,Fumin Tang,Qinghua Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (38): 34854-34861 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acsami.9b09315
摘要

Operando insight into the catalytic kinetics under working conditions is important for further rationalizing the design of advanced catalysts toward efficient renewable energy applications. Here, we enable a ubiquitous carbon material as an efficient acidic oxygen evolution reaction (OER) electrocatalyst, synthesized via a facile and controllable "amino-assisted polymerization and carbonization" strategy. This as-developed metal-free amino-rich hierarchical-network carbon (amino-HNC) framework directly supported on carbon paper can catalyze OER at a quite low overpotential of 281 mV and a small Tafel slope of 96 mV dec–1 in an acid solution, and maintain ∼98% of its initial catalytic activity after 100 h oxygen evolution operation. By using the operando synchrotron infrared spectroscopy, a crucial structurally evolved H2N–(*O–C)–C, formed by adsorbing the *O intermediate on the active H2N–C═C moiety, is observed on amino-HNC electrocatalysts during the OER process in the acid medium. Furthermore, theoretical calculations reveal that the optimization of the sp2 electronic structure of C═C by amino radicals could effectively lower the kinetic formation barrier of the *O intermediate on the H2N–C═C moiety, contributing to a prominent acidic oxygen-involved catalysis.
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