Precursor modulated active sites of nitrogen doped graphene-based carbon catalysts via one-step pyrolysis method for the enhanced oxygen reduction reaction

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作者
Xiaoran Zhang,Xiao Zhang,Shiyong Zhao,Yun Qiu Wang,Lin Xu,Zhi Qun Tian,Pei Kang Shen,San Ping Jiang
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier BV]
卷期号:370: 137712-137712 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2021.137712
摘要

Tuning active configurations of different nitrogen (N) species and elucidating their influence on the catalytic activity for oxygen reduction reaction (ORR) is important to develop N-doped carbon (N/C) as efficient metal-free catalysts. The challenge is to selectively control the active N sites of N/C. Herein, we approach this challenge by modulating N active species in graphene structured N/C with specific precursors via a one-step pyrolysis process. In this method, 5-aminouracil is selected as the N-containing precursor platform to modulate the pyridinic N (NP), while 2,6-diaminopyridine and 1,3-diaminobenzene are used to modulate graphitic N (NG) and pyrrolic N (NPY), respectively. N/C materials with specific different N configurations such as N/CNP+NG, N/CNP+NP and N/CNP+NPY are successfully synthesized and identified by microstructure and phase characterization. Electrochemical results demonstrate that N/CNP+NG exhibits the best ORR performance, achieving an onset potential (Eonset) of 0.98 V and half-wave potential (E1/2) of 0.86 V vs. RHE, respectively, which is comparable to that obtained on conventional Pt/C. By contrast, N/CNP+NPY exhibits the lowest activity for ORR. Density functional theory (DFT) simulation further validates that the NP+NG configuration produces strong electronic distribution on carbon matrix that leads to high charge and high spin density on surrounding carbon atoms. This work provides a facile approach to design N doped graphene structured carbon materials with active N configurations for ORR.

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