Porous C3N4 Nanolayers@N-Graphene Films as Catalyst Electrodes for Highly Efficient Hydrogen Evolution

电催化剂 材料科学 石墨烯 纳米技术 化学工程 电极 催化作用 薄膜 多孔性 石墨烯泡沫 氧化石墨烯纸 电化学 复合材料 化学 有机化学 物理化学 工程类
作者
Jingjing Duan,Sheng Chen,Mietek Jaroniec,Shi‐Zhang Qiao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:9 (1): 931-940 被引量:688
标识
DOI:10.1021/nn506701x
摘要

Pt-free electrocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER) with high activity and low price are desirable for many state-of-the-art renewable energy devices, such as water electrolysis and photoelectrochemical water splitting cells. However, the design and fabrication of such materials remain a significant challenge. This work reports the preparation of a flexible three-dimensional (3D) film by integrating porous C3N4 nanolayers with nitrogen-doped graphene sheets, which can be directly utilized as HER catalyst electrodes without substrates. This nonmetal electrocatalyst has displayed an unbeatable HER performance with a very positive onset-potential close to that of commercial Pt (8 mV vs 0 mV of Pt/C, vs RHE @ 0.5 mA cm(-2)), high exchange current density of 0.43 mA cm(-2), and remarkable durability (seldom activity loss >5000 cycles). The extraordinary HER performance stems from strong synergistic effect originating from (i) highly exposed active sites generated by introduction of in-plane pores into C3N4 and exfoliation of C3N4 into nanosheets, (ii) hierarchical porous structure of the hybrid film, and (iii) 3D conductive graphene network.
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