Ru-loaded pyrrolic-N-doped extensively graphitized porous carbon for high performance electrochemical hydrogen evolution

过电位 塔菲尔方程 电化学 催化作用 多孔性 材料科学 碳纤维 化学工程 纳米颗粒 无机化学 纳米技术 化学 电极 复合材料 有机化学 物理化学 复合数 工程类
作者
Cheol-Hwan Shin,Ted H. Yu,Ha‐Young Lee,Byeong-June Lee,Soonho Kwon,William A. Goddard,Jong‐Sung Yu
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:334: 122829-122829 被引量:34
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2023.122829
摘要

Herein, we report a novel methodology for preparation of new N-doped extensively graphitized porous carbon (N-GPC) as a new catalyst support for Ru nanoparticles (NPs) with dramatically improved hydrogen evolution reaction (HER) activity. Our method is remarkably simple: pyrolyzing g-C3N4 in the presence of Mg metal. Here, we show that Mg plays marvelous dual roles as a reducing agent to graphitize the g-C3N4 precursor at low temperature and as a precursor for Mg3N2, which generates network-structured porous carbon as a new porogen. This offers highly robust graphitized carbon with high electrical conductivity, network-structured high porosity, and proper N content, most desired as a catalyst support. As-prepared Ru/N-GPC catalyst shows a remarkably low overpotential of 9.6 mV (vs. RHE) at 10 mA/cm2, which is near ideal, providing 12 times faster hydrogen production rate than state-of-the-art Pt/C. We explain the atomistic basis for this low overpotential and superb stability via Grand canonical quantum mechanics calculations. These calculations show that pyrrolic-N in the support strengthens the coupling to the Ru NP while weakening the binding of H to Ru NP to accelerate the Tafel step.
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