Eletrocatalisadores MOF Co-Dopados Co-P-C para ORR e OER Eficientes

Resumo

É urgente desenvolver eletrocatalisadores bifuncionais electroquímicos de alto desempenho e baratos para tanto a reação de redução de oxigênio (ORR) quanto a reação de evolução de oxigênio (OER) para a crise energética e problemas ambientais. Aqui, relatamos uma série de materiais poliédricos Co-P-C co-dopados derivados de ZIF com morfologia bem definida. O catalisador otimizado Co/P/MOFs-CNTs-700 exibiu atividades electroquímicas favoráveis com a menor sobrepotencial de 420 mV para atingir densidade de corrente de 10 mA cm⁻² para OER e potencial de meia onda de 0,8 V para ORR em 0,1 M NaOH. O desempenho pode ser bem melhorado pela dopagem de recurso de fósforo que alterou grandemente sua morfologia. Enquanto isso, os recursos de carbono dopados também melhoram a condutividade, o que o torna um promissor catalisador electroquímico bifuncional e pode ser comparável com eletrocatalisadores comerciais.

Introdução

Nos últimos anos, a demanda rapidamente crescente por desenvolvimento energético sustentável atraiu grande interesse entre pesquisadores no campo de conversão de energia electroquímica e tecnologias de armazenamento de energia [1-3]. Para atender à demanda por conversão e distribuição de energia, investigar material de eletrodo de metal não-precioso alternativo com estrutura bem projetada, química controlada, e excelente desempenho electroquímico será uma busca constante [4-7]. A reação de evolução de oxigênio (OER) e a reação de redução de oxigênio (ORR) são reações importantes que atuam como papéis significativos na aplicação em células solares, células de electrólise, células metal-ar recarregáveis, células de combustível, e assim por diante [8-11]. No entanto, a cinética lenta de OER e ORR limitou severamente a utilização em larga escala da eficiência de conversão de energia [8, 12-15].

Portanto, grandes esforços têm sido dedicados a explorar um catalisador electroquímico eficiente e estável para melhorar a severa reação de oxigênio nas últimas décadas. Sabe-se que catalisadores de metais nobres são o padrão de referência da reação de oxigênio. No entanto, estes materiais prospectivos sofrem de escassez, alto custo, e baixa estabilidade. Por exemplo, dióxido de irídio e dióxido de rutênio, os mais promissores catalisadores OER, exibem excelentes atividades electrocatalíticas OER tanto em condições ácidas quanto alcalinas em baixa sobrepotencial mas ainda carecem de estabilidade a longo prazo. O catalisador comercial de carbono platina como tipo de eletrocatalisador catódico com brilhante atividade electroquímica de ORR ainda é afetado cruzadamente pelo eletrólito, fácil de ser envenenado e carece de certa durabilidade. Consequentemente, devido às falhas acima dos catalisadores preciosos, cada vez mais pesquisadores têm se dedicado ao design de catalisadores electroquímicos baseados em elementos abundantes na terra para desenvolvimento sustentável. Curiosamente, materiais de estrutura metal-orgânica (MOFs) têm atraído interesses tremendo devido ao seu baixo custo, fontes abundantes, e habilidade de servir como modelos para síntese de materiais nanoporosos baseados em carbono. O material poroso cristalino MOFs são geralmente fáceis de projetar formando por auto-montagem de íons metálicos e grupos orgânicos [16, 17]. Os complexos carbono-metal derivados deles podem possuir diferentes morfologias, exibindo áreas de superfície extremamente altas e estruturas de poros hierárquicas que contribuem grandemente para as atividades electroquímicas de ORR e OER [18, 19]. Não obstante, o grau de grafitização destes materiais é relativamente baixo, reduzindo assim a condutividade dos materiais.

Enquanto isso, nanomateriais de carbono devido à sua alta condutividade e morfologia controlável são extremamente atrativos e têm sido aplicados em muitos dispositivos electroquímicos, tais como célula de combustível de polímero [2, 20]. Além disso, provou-se que nanomateriais de carbono dopados com elementos heterogéneos podem grandemente aumentar a atividade catalítica e a área de química de superfície [4, 13, 20-26]. Materiais de carbono hetero-dopados também têm efeito sinérgico na catálise direta de ORR [27, 28]. Portanto, para aumentar a condutividade e atividade catalítica dos materiais, é razoável sintetizar materiais eficientes dopados com átomos heterogéneos a partir de material MOFs barato e rico em fontes, que pode ser bem aplicado em células de combustível, baterias metal-ar, e assim por diante.

Portanto, relatamos um catalisador electroquímico bifuncional eficiente da estrutura metal-orgânica com fósforo e carbono co-dopados por método de dopagem in situ. Descobrimos que dopar átomo heterogéneo pode mudar sua morfologia e melhorar a condutividade provada por MEV e XPS, o que fez com que processasse uma sobrepotencial favoravelmente baixa de 420 mV para atingir densidade de corrente de 10 mA cm⁻² para OER e potencial de meia onda de 0,8 V para ORR em 0,1 M NaOH. Este promissor catalisador electroquímico bifuncional pode ser comparável com eletrocatalisadores comerciais.

Métodos

Síntese de Nanomateriais de Carbono Co-MOF

Para sintetizar os nanomateriais de carbono Co-MOF, um método típico e simples foi realizado como segue. Primeiro, 1,28 g de 2-metilimidazol foi disperso ultrassonicamente em 20 mL metanol para formar solução A. 1,0 g de acetilacetonato de cobalto(II) foi disperso ultrassonicamente em 60 mL metanol para formar solução B. A solução A foi lentamente adicionada na solução B com ultrassom contínuo por 5 min, seguido por agitação vigorosa por mais 10 min à temperatura ambiente. Então, a mistura foi selada no reator de politetrafluoretileno, que foi transferido para estufa de secagem a ar e aquecido de temperatura ambiente a 160 °C e mantido a 160 °C por 24 h, seguido por resfriamento natural até temperatura ambiente. O pó sólido roxo obtido foi centrifugado e lavado com metanol várias vezes e seco a 70 °C durante a noite. Os nanocristais preparados foram pirolisados sob atmosfera de argônio em um tubo de quartzo de fluxo contínuo colocado no centro de um forno tubular como segue. Primeiro, a produção foi aquecida de temperatura ambiente a 350 °C a taxa de 5 °C/min e mantida a 350 °C por 1 h. Então, aumentamos para a temperatura desejada (500, 600, 700, 800, e 900 °C) por 2 h com a mesma taxa de aquecimento para obter Co-MOFs-x, onde "x" representa a temperatura de carbonização.

Síntese de Nanomateriais de Carbono Co/P-MOF

Para descobrir o impacto da dopagem de P nas atividades electroquímicas, diferentes fontes de fosfina foram adotadas durante a síntese. 1,28 g de 2-metilimidazol foi disperso ultrassonicamente em 20 mL metanol para formar solução A. 1,0 g de acetilacetonato de cobalto(II) e 0,25 g de fonte de fósforo foram dispersos ultrassonicamente em 60 mL metanol para formar solução B. As fontes de fósforo foram hipofosfito de sódio, trifosfina de trifenila, e O-trimetilfosfina de fenila. Os passos seguintes foram os mesmos dos acima; apenas mudamos a temperatura de carbonização mais adequada como 700 °C. Finalmente, obtivemos as produções nomeadas como Co/P0-MOFs, CoP1-MOFs, e Co/P2-MOFs, onde P0, P1, e P2 representam hipofosfito de sódio, trifosfina de trifenila, e O-trimetilfosfina de fenila, respectivamente.

Escolhemos a trifosfina de trifenila como fonte de fósforo e mudamos a massa da fonte de fósforo no passo 1 para 0,5, 0,75, e 1,0 g, respectivamente. E os outros passos experimentais permaneceram inalterados. O produto final foi nomeado Co/P/MOFs-700-0,25, Co/P/MOFs-700-0,5, Co/P/MOFs-700-0,75, e Co/P/MOFs-700-1,0, respectivamente.

Síntese de Nanomateriais de Carbono Co-MOFs-C

Para melhorar a condutividade do material, fontes adicionais de carbono foram adicionadas. 1,28 g de 2-metilimidazol foi disperso ultrassonicamente em 20 mL metanol para formar solução A. 1,0 g de acetilacetonato de cobalto(II) e 0,125 g de fontes de carbono foram dispersos ultrassonicamente em 60 mL metanol para formar solução B. As fontes de carbono foram nanotubos de carbono (CNTs), negro de acetileno (CB), e A-OMCS que foram preparados em nosso artigo anterior [25] que foram tratados com ácido. Os passos seguintes foram os mesmos do passo 2.2 (1). Finalmente, obtivemos as produções nomeadas como Co/MOFs-CNTs-700, Co/MOFs-CB-700, e Co/MOFs-A-OMCS-700, respectivamente.

Síntese de Nanomateriais de Carbono Co/P-MOFs-CNTs-700

Para melhorar a condutividade e desempenho electrocatalítico, fontes de carbono e materiais de carbono foram usados simultaneamente de uma vez. 1,28 g de 2-metilimidazol foi disperso ultrassonicamente em 20 mL metanol para formar solução A. 1,0 g de acetilacetonato de cobalto(II), 0,25 g de trifosfina de trifenila, e 0,125 g de CNTs com tratamento ácido foram dispersos ultrassonicamente em 60 mL metanol para formar solução B. Os passos seguintes foram os mesmos dos acima. Finalmente, obtivemos as produções nomeadas como Co/P/MOFs-CNTs-700.

Caracterização dos Nanomateriais de Carbono Sintetizados

Difração de raios X (XRD) foi realizada no TD-3500 (Tongda, China) difratômetro. Espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) foi realizada usando espectrômetro de fotoelétrons K-Alpha+ (Thermo Fisher Scientific). Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram obtidas com microscópio eletrônico de varredura SU8220 (Hitachi, Japão). Imagem de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF) e análise de mapeamento elementar por espectrômetro dispersivo de energia (EDS) foram realizadas no modo de microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) em microscópio eletrônico de emissão de campo FEI Tecnai f20 corrigido de aberração; operado a 200 kV.

Testes Electroquímicos

Todos os dados de atividade electroquímica foram coletados em estação de trabalho electroquímica (Ivium, Holanda) à temperatura ambiente, acoplada com sistema de eletrodo de disco rotativo (RDE) (Pine, EUA) em sistema padrão de três eletrodos. O sistema de três eletrodos consistiu de eletrodo contador de fio Pt, eletrodo de referência Hg/HgO (solução 0,1 M NaOH) para meio alcalino, e eletrodo de trabalho baseado em carbono vítreo (GC, 0,196 cm²). Os eletrodos carregados com catalisador foram obtidos como segue. Primeiro, tinta de catalisador foi preparada por ultrassom de mistura de 1 mL de solução de etanol Nafion 0,25% em peso e 5 mg do catalisador correspondente por 30 min. Então, 20 μL de tinta de catalisador foi espalhada em eletrodo de trabalho baseado em carbono vítreo nos testes RDE. Finalmente, o eletrodo de trabalho foi seco sob lâmpada infravermelha por 1-2 min. A carga de catalisador foi aproximadamente 0,5 mg cm⁻². Solução 0,1 M NaOH foi empregada como eletrólito e foi purgada com gás N₂ ou O₂ de alta pureza por cerca de 30 min antes do teste. Testes de voltametria de varredura linear (LSV) foram realizados a taxa de rotação de 1600 rpm e taxa de varredura de potencial de 10 mV s⁻¹. Teste de estabilidade foi realizado em Instrumentação Electroquímica Autolab (Metrohm) em sistema padrão de três eletrodos, no qual OER foi por teste de cronopotenciometria conduzido sob densidade de corrente constante de 10 mA cm⁻² em 0,1 M NaOH com carga de 0,2 mg cm⁻² e ORR foi por teste de resposta cronoamperométrica realizado sob potencial constante de 0,8 V sob a mesma condição. Todos os potenciais são calibrados em relação ao eletrodo de hidrogênio reversível (RHE).

Resultados e Discussão

Como mostrado na Fig. 1a, difração de raios X (XRD) revelou que sintetizamos com sucesso poliédrons de materiais de estrutura metal-orgânica de metal de transição. Ao aumentar temperaturas de carbonização, os picos de difração a 44,216°, 51,522°, e 75,853° tornam-se mais distintos, o que combina bem com os planos (111), (200), e (220) do cobalto cúbico (PDF#15-0806). Como é conhecido por todos, a temperatura de recozimento tem efeito significativo nas propriedades físico-químicas e desempenho electroquímico das amostras [29, 30]. Assim, as amostras obtidas com gradiente de temperatura em série foram conduzidas medições electroquímicas para examinar a temperatura otimizada. A Figura 1b mostra as atividades electroquímicas dos materiais tratados em diferentes temperaturas. É óbvio encontrar que o catalisador como-preparado carbonizado a 700 °C (Co/MOFs-700) exibe o melhor desempenho OER. A sobrepotencial é em torno de 480 mV para atingir densidade de corrente de 10 mA cm⁻² em 0,1 M NaOH.

a Padrões XRD de amostras Co/MOF antes de carbonizar e carbonizadas em diferentes temperaturas. b Curvas LSV para OER de Co/MOFs, Co/MOFs-500, Co/MOFs-600, Co/MOFs-700, Co/MOFs-800, e Co/MOFs-900. c, d Imagens MEV de amostra Co/MOFs-700 antes e depois de carbonizada

Então, os Co/MOFs antes de carbonizar e o Co/MOFs-700 de melhor desempenho foram selecionados para realizar medições MEV. Como mostrado na Fig. 1c, d, a morfologia do Co/MOFs-700 obtido mudou grandemente após carbonizado a 700 °C. Muitas linhas tipo dobra aparecem em sua superfície e não são mais lisas que os materiais originais sem serem carbonizados. Mas ainda processa a morfologia poliédrica, com dispersão regular de partículas e sem sinal de colapso.

Como artigos anteriores relataram, dopar fósforo em poliédro de estrutura metal-orgânica de metal de transição pode aumentar a estabilidade da amostra em solução ácida ou alcalina e também pode efetivamente melhorar a atividade catalítica electroquímica quebrando a eletroneutralidade e facilitando a adsorção de O₂ [31-33]. Portanto, amostras dopadas com fósforo são sintetizadas com método de dopagem in situ e investigado o desempenho electroquímico. Os produtos obtidos foram nomeados como Co/P0/MOFs-700, Co/P1/MOFs-700, e Co/P2/MOFs-700, enquanto P0, P1, e P2 representam as fontes de fósforo de hipofosfito de sódio, trifosfina de trifenila, e O-trimetilfosfina de fenila, respectivamente.

De acordo com Fig. 2a, os picos de difração das amostras dopadas com fósforo ainda possuem o padrão de cobalto cúbico (PDF#15-0806), indicando que dopar pequena quantidade de fósforo não mudaria a estrutura dos MOFs. Então, medições electroquímicas foram conduzidas para explorar a influência de diferentes fontes de fósforo nas atividades catalíticas electroquímicas. Como mostrado na Fig. 2c, o potencial de circuito aberto (0,87 V) e potencial de meia onda (0,78 V) ambos mostram que o Co/P1/MOFs-700 possui a melhor atividade ORR. No entanto, é ligeiramente mais fraco que o do produto original Co/MOFs-700 carbonizado sob a mesma temperatura. A Figura 2d representa o desempenho OER de diferentes produtos dopados com fósforo. Quando a densidade de corrente limite é 10 mA cm⁻², apenas Co/P1/MOFs-700 possui a menor sobrepotencial de 430 mV, demonstrando que incorporação de fósforo nas amostras pode aumentar a atividade OER, que é coincidência com artigo relatado que incorporação de fósforo ajustaria a condutividade elétrica e simultaneamente facilitaria a rápida transferência de elétrons [34]. Além disso, Fig. 2b mostra comparação entre a amostra com trifosfina de trifenila como fonte de fósforo e a amostra original (Fig. 1c) sem incorporação de elementos. Pode ser revelado que a incorporação de fósforo afetou grandemente a morfologia do material comparado com Co/MOFs-700. Portanto, dopar fósforo não apenas pode aumentar a atividade electroquímica mas também mudou a morfologia da amostra.

a Padrão XRD de Co/P0/MOFs-700, Co/P1/MOFs-700, e Co/P2/MOFs-700. b Imagens MEV de Co/P1/MOFs-700. c Curvas de polarização ORR das amostras dopadas com fósforo. d Curvas de polarização OER das amostras dopadas com fósforo

Subsequentemente, continuamos a investigar influência na qualidade da fonte de fósforo dopada. Os produtos obtidos com diferente razão molar de P foram nomeados como Co/P/MOFs-700-x (x = 0,25, 0,5, 0,75, 1,0), enquanto P representa trifosfina de trifenila e x representa a qualidade da fonte de fósforo. A Figura 4a mostra que ao aumentar o conteúdo de fontes de fósforo, o padrão XRD mostra que os principais picos de difração nestas amostras ainda são cobalto (PDF#15-0806). Como Fig. 4b mostra, Co/P/MOFs-700-0,5 possui a melhor atividade ORR cujo potencial de meia onda foi em torno de 0,8 V entre estes produtos dopados com fósforo, mas a atividade ORR de Co/P/MOFs-700-0,5 não é aumentada significativamente comparado com a amostra original Co/MOFs-700. Pode ser visto na Fig. 4c que a atividade OER das amostras aumentou significativamente com adição de compostos de trifosfina de trifenila e diminuiu com aumento de massa de fonte de fósforo. Quando a densidade de corrente limite é 10 mA cm⁻², Co/P/MOFs-700-0,25 e Co/P/MOFs-700-0,5 ambos possuem sobrepotencial mínimo de 450 mV, indicando que apenas quantidade adequada de fontes de fósforo pode melhorar atividade OER enquanto a quantidade de 0,25 e 0,5 exibe melhor. No entanto, quando comparado com platina carbono comercial (potencial de meia onda 0,81 V, densidade de corrente limite 5,43 mA cm⁻²) e excelente eletrocatalisador OER óxido de irídio (1,61 V @ 10 mA cm⁻²), Co/P/MOFs-700-0,5 ainda permanece diferença significativa entre a densidade de corrente limite no desempenho ORR. Como o artigo relatou, quando a condutividade do material é pequena, a densidade de corrente limite também é [39].

a Padrões XRD de dopagem de diferentes conteúdos de fonte de fósforo em Co-MOFs. b, c Curvas de polarização ORR e OER de Co/MOFs-700, Co/P/MOFs-700-0,25, Co/P/MOFs-700-0,5, Co/P/MOFs-700-0,75, e Co/P/MOFs-700-1,0, respectivamente

Para aumentar a condutividade, primeiro medimos o conteúdo atual de carbono do Co/P/MOFs-700-0,5 sintetizado analisado por imagens EDS. De acordo com Fig. 5, é óbvio que a qualidade de cobalto responde pela maior parte que leva quase 52,38%, enquanto a qualidade de carbono é relativamente menor de 29,13%.

EDS de Co/P/MOFs-700-0,5

Portanto, para melhorar a condutividade do material, dopamos ainda as amostras com carbono sem quaisquer fontes de fósforo. Os produtos obtidos foram nomeados como Co/MOFs-CNTs-700, Co/MOFs-CB-700, e Co/MOFs-A-OMCS-700, respectivamente. A Figura 6a mostra que dopar carbono não afetará a estrutura das amostras, que ainda mantém os mesmos picos de difração de cobalto (PDF#15-0806). Como mostrado na Fig. 6b, pode ser visto que a densidade de corrente limite dos produtos é grandemente aumentada com incorporação de fonte de carbono em ORR, enquanto Fig. 6c indicou que a incorporação de fonte de carbono não faz sentido para melhorar as propriedades OER dos catalisadores.

a Padrões XRD de dopagem de diferentes conteúdos de fonte de carbono em Co-MOFs. b, c Curvas de polarização ORR e OER de Co/MOFs-700, Co/MOFs-CNTs-700, Co/MOFs-A-OMCS-700, e Co/MOFs-CB-700, respectivamente

Combinado com os dados experimentais e conclusões anteriores, dopamos a amostra original com ambos elementos fósforo e carbono adicionando 0,5 g de trifosfina de trifenila e quantidade adequada de diferentes fontes de carbono (CNTs, CB, e A-OMCS) ao material para comparação. As amostras obtidas foram nomeadas como Co/P/MOFs-CNTs-700, Co/P/MOFs-CB-700, e Co/P/MOFs-A-OMCS-700, respectivamente. De acordo com Fig. 7a, não há mudança do padrão XRD, com todas as amostras combinando bem com cobalto cúbico (PDF#15-0806). Como mostrado na Fig. 7b, co-dopagem com fósforo e carbono grandemente aumentou a densidade de corrente limite e desempenho ORR dos produtos. A amostra de Co/P/MOFs-CNTs-700 exibe a melhor atividade ORR, na qual o potencial de meia onda e densidade de corrente limite são 0,8 V e 4,81 mA cm⁻² e são 10 mV menores que o platina carbono comercial. Adicionalmente, como pode ser visto claramente na Fig. 7c, o desempenho OER dos produtos também foi grandemente melhorado. A amostra de Co/P/MOFs-CNTs-700 exibe a menor tensão de sobrepotencial de 420 mV (Tabela 1). Comparado com a tensão correspondente a dióxido de irídio, Co/P/MOFs-CNTs-700 é apenas cerca de 40 mV maior que dióxido de irídio. Portanto, Co/P/MOFs-CNTs-700 exibe ser um eletrocatalisador bifuncional favorável.

a Padrões XRD de Co/P/MOFs-CNTs-700, Co/P/MOFs-A-OMCS-700, e Co/P/MOFs-CB-700. b, c Curvas LSV ORR e OER para as amostras acima, respectivamente

Enquanto isso, para acessar a estabilidade do Co/P/MOFs-CNTs-700 de melhor desempenho, testes de cronopotenciometria e resposta cronoamperométrica foram realizados. Como pode ser visto na Fig. 8a, b, a sobrepotencial aumentou apenas 1,5 mV e o desempenho ORR é reduzido em 79,5% após 18 h de testes contínuos, provando que ambas atividades OER e ORR de Co/P/MOFs-CNTs-700 são bastante estáveis em 0,1 M NaOH.

a Medição de cronopotenciometria para Co/P/MOFs-CNTs-700. b Resposta cronoamperométrica de Co/P/MOFs-CNTs-700

Microscopia eletrônica de varredura, EDS, e mapeamento na amostra de Co/P/MOFs-CNTs-700 também foram realizados. Como pode ser visto na Fig. 9a-c, Co/P/MOFs-CNTs-700 reteve a morfologia poliédrica com muitas linhas tipo dobra na superfície. Além disso, a incorporação de nanotubos de carbono está embutida no esqueleto do produto, o que pode aumentar a área de superfície específica do produto e fornece mais sítios de adsorção para reação electroquímica. Figura 9 d-g são as análises de mapeamento da amostra. Pode ser visto que as fontes de carbono e fósforo são uniformemente dispersas no esqueleto da amostra e se tornam um todo.

Imagens MEV de Co/P/MOFs-CNTs-700 (a–c) e o mapeamento elementar correspondente de Co (d), P (e), C (f), e N (g), respectivamente

Como EDS mostra, o conteúdo de fósforo e carbono do material é aumentado comparado com a amostra original de Co/MOFs-700 por dopagem in situ, levando assim ao aumento de atividade ORR e OER (Fig. 10). É lateralmente demonstrado que a incorporação de dois tipos de elementos fósforo e carbono poderia ser benéfico para aumentar a atividade electroquímica de materiais de estrutura metal-orgânica contendo cobalto [40], porque a eletronegatividade de P (2,19) é diferente da de átomos de carbono (C, 2,55). Co-dopagem quebraria a eletroneutralidade que pode facilitar a adsorção de O₂ e melhorar a atividade ORR [41]. Enquanto isso, mais sítios ativos podem surgir devido à co-dopagem de fósforo e carbono mudando a densidade de spin assimétrica de heteroátomos e efetivamente enfraquecendo a ligação O-O, levando assim à atividade ORR aumentada [42].

a, b Análise EDS de Co/MOFs-700 e Co/P/MOFs-CNTs-700, respectivamente

As excepcionais atividades electroquímicas podem ser atribuídas às seguintes razões. Primeiro, dopar heteroátomos levaria à redistribuição da densidade de carga na superfície do catalisador, o que é benéfico para adsorver oxigênio e promover atividades ORR [43]. Segundo, co-dopar diferentes átomos nos MOFs resultaria em efeito sinérgico que também contribui para o desempenho electroquímico aumentado [44]. Terceiro, provou-se que o mecanismo OER de catalisador baseado em Co é um processo dinâmico de auto-reconstrução de superfície. Os átomos de Co na superfície poderiam formar uma camada ativa de oxi(hidróxido) metálico auto-montada de CoOOH que funciona como sítio ativo real [45]. Além da composição, a estrutura híbrida única combinada com sua alta condutividade poderia fornecer grande área de superfície para transferência de carga rápida.

Conclusão

Em conclusão, um nanomaterial de carbono de estrutura metal-orgânica de metal de transição poliédrico eficiente e custo-efetivo (Co/P/MOFs-CNTs-700) co-dopado com fontes de fósforo e carbono foi sintetizado com sucesso, que pode servir como catalisador electroquímico bifuncional eficiente e barato. A menor sobrepotencial de Co/P/MOFs-CNTs-700 é 420 mV para atingir densidade de corrente de 10 mA cm⁻² para OER, e o potencial de meia onda é 0,8 V para ORR em 0,1 M NaOH, que é muito próximo aos de catalisadores electroquímicos comerciais. Poderia ser utilizado como promissor eletrocatalisador bifuncional electroquímico no campo de armazenamento de energia e também fornecer insight promissor para projetar eletrocatalisador bifuncional electroquímico.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Os dados usados para suportar os achados deste estudo estão incluídos dentro do artigo.

Abreviações

ORR:

Reação de redução de oxigênio

OER:

Reação de evolução de oxigênio

MEV:

Microscopia eletrônica de varredura

HAADF:

Campo escuro anular de alto ângulo

EDS:

Espectrômetro dispersivo de energia

STEM:

Microscopia eletrônica de transmissão de varredura

XPS:

Espectroscopia de fotoelétrons de raios X

XRD:

Difração de raios X

RDE:

Eletrodo de disco rotativo

Co-MOFs-x:

Estruturas metal-orgânicas de cobalto-x representa temperatura

Co/P-MOFs:

Estruturas metal-orgânicas cobalto/fósforo

Co/P/MOFs-700-0.25:

Estruturas metal-orgânicas cobalto/fósforo-700 °C-massa da fonte de fósforo é 0,25

Co-MOFs-C:

Estruturas metal-orgânicas de cobalto-carbono

Co/P/MOFs-CNTs-700:

Estruturas metal-orgânicas cobalto/fósforo-nanotubos de carbono-700 °C

GC:

Carbono vítreo

LSV:

Voltametria de varredura linear

RHE:

Eletrodo de hidrogênio reversível

Pt/C:

Catalisador platina/carbono