Trimodal Hierarchical Porous Carbon Nanoplates with Edge Curvature for Faster Mass Transfer and Enhanced Oxygen Reduction

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作者
Ruijing Xin,Ho Ngoc Nam,Quan Manh Phung,Jing Tang,Shengchun Ma,Josua Markus,Yuchen Dai,Azhar Alowasheeir,Nithima Khaorapapong,Jie Wang,Yusuke Yamauchi,Yusuf Valentino Kaneti
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c06404
摘要

Although hierarchical porous carbon materials have been widely used for electrocatalysis, the role of curvature in carbon nanostructures during electrochemical reactions remains poorly understood due to a lack of experimental models featuring clearly defined curved geometries and periodic structures. In this study, we fabricate hierarchical porous cobalt- and nitrogen-containing carbon nanoplates with trimodal porosity (macro-, meso-, and micropores) and continuous, homogeneous curved edges (Co/N-CNP-CURV) using a polystyrene-directed templating approach. The Co/N-CNP-CURV catalyst exhibits excellent catalytic activity and stability for the alkaline oxygen reduction reaction, with a half-wave potential of 0.82 V and a minimal potential shift of 8 mV after 5000 cycles. The enhanced electrocatalytic activity is attributed to synergistic combinations of the trimodal porosity, abundant Co-Nx active sites, a high density of curved edges, and graphitic carbon encapsulated with cobalt nanoparticles. Density functional theory calculations reveal that the presence of curvature in Co/N-CNP-CURV is beneficial for enhancing the charge transfer from the catalyst to O2, lowering the adsorption energy of O2, and reducing the activation free energy barrier for the rate-determining step (*O2 + (H+ + e-) → *OOH). The study provides compelling experimental evidence supporting the critical role of the curvature effect in enhancing the electrocatalytic performance of nanoporous metal-containing carbon materials.
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