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Platinum Nanostructure/Nitrogen‐Doped Carbon Hybrid: Enhancing its Base Media HER/HOR Activity through Bi‐functionality of the Catalyst

催化作用 双功能 化学 塔菲尔方程 铂金 碳纤维 化学工程 基础(拓扑) 无机化学 纳米结构 材料科学 纳米技术 电化学 有机化学 物理化学 电极 复合材料 数学 数学分析 工程类 复合数
作者
Manas Kumar Kundu,Tanmay Bhowmik,Ranjit Mishra,Sudip Barman
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:11 (14): 2388-2401 被引量:80
标识
DOI:10.1002/cssc.201800856
摘要

Abstract The design and synthesis of an active catalyst for the hydrogen evolution reaction/hydrogen oxidation reaction (HER/HOR) are important for the development of hydrogen‐based renewable technologies. The synthesis of a hybrid of platinum nanostructures and nitrogen‐doped carbon [Pt‐(PtO x )‐NSs/C] for HER/HOR applications is reported herein. The HER activity of this Pt‐(PtO x )‐NSs/C catalyst is 4 and 6.5 times better than that of commercial Pt/C in acids and bases, respectively. The catalyst exhibits a current density of 10 mA cm −2 at overpotentials of 5 and 51 mV, with Tafel slopes of 29 and 64 mV dec −1 in 0.5 m H 2 SO 4 and 0.5 m KOH. This catalyst also showed superior HOR activity at all pH values. The HER/HOR activity of Pt‐(PtO x )‐NSs/C and PtO x ‐free Pt‐nanostructures on carbon (PtNSs/C) catalysts are comparable in acid. The presence of PtO x in Pt‐(PtO x )‐NSs/C makes this Pt catalyst more HER/HOR‐active in basic media. The activity of the Pt‐(PtO x )‐NSs/C catalyst is fivefold higher than that of the PtNSs/C catalyst in basic medium, although their activity is comparable in acid. The hydrogen‐binding energy and oxophilicity are two equivalent descriptors for HER/HOR in basic media. A bifunctional mechanism for the enhanced alkaline HER/HOR activity of the Pt‐(PtO x )‐NSs/C catalyst is proposed. In the bifunctional Pt‐(PtO x )‐NSs/C catalyst, PtO x provides an active site for OH − adsorption to form OH ads , which reacts with hydrogen intermediate (H ads ), present at neighbouring Pt sites to form H 2 O; this leads to enhancement of the HOR activity in basic medium. This work may provide an opportunity to develop catalysts for various renewable‐energy technologies.

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