Electrocatalizadores MOF Co-Dopados Co‑P‑C para ORR y OER Eficientes

Resumen

Es imperativo desarrollar electrocatalizadores bifuncionales electroquímicos de alto rendimiento y baratos para tanto la reacción de reducción de oxígeno (ORR) como la reacción de evolución de oxígeno (OER) para la crisis energética y problemas ambientales. Aquí, reportamos una serie de materiales poliedrales Co-P-C co-dopados derivados de ZIF con una morfología bien definida. El catalizador optimizado Co/P/MOFs-CNTs-700 exhibió actividades electroquímicas favorables con el menor sobrepotencial de 420 mV para lograr la densidad de corriente de 10 mA cm⁻² para OER y el potencial de media onda de 0.8 V para ORR en 0.1 M NaOH. El rendimiento puede mejorarse considerablemente dopando recurso de fósforo que cambió grandemente su morfología. Mientras tanto, los recursos de carbono dopados también mejoran la conductividad, lo que lo convierte en un prometedor electrocatalizador bifuncional electroquímico y puede ser comparable con electrocatalizadores comerciales.

Introducción

En años recientes, la demanda rápidamente creciente de desarrollo energético sostenible ha atraído gran interés entre investigadores en el campo de conversión de energía electroquímica y tecnologías de almacenamiento de energía [1-3]. Para satisfacer la demanda de conversión y distribución de energía, investigar un material electrodo alternativo de metal no precioso con estructura bien diseñada, control químico y excelente rendimiento electroquímico será una búsqueda constante [4-7]. La reacción de evolución de oxígeno (OER) y la reacción de reducción de oxígeno (ORR) son reacciones importantes que actúan como roles significativos en la aplicación en celdas solares, celdas de electrólisis, celdas metal-aire recargables, celdas de combustible, y así sucesivamente [8-11]. Sin embargo, la cinética lenta de OER y ORR limitó severamente la utilización a gran escala de la eficiencia de conversión energética [8, 12-15].

Por lo tanto, grandes esfuerzos se han dedicado a explorar un catalizador electroquímico eficiente y estable para mejorar la severa reacción de oxígeno en las últimas décadas. Se sabe que los catalizadores de metales nobles son el referente de la reacción de oxígeno. Sin embargo, estos materiales prospectivos sufren de escasez, alto costo y baja estabilidad. Por ejemplo, el dióxido de iridio y dióxido de rutenio, los catalizadores OER más prometedores, exhiben excelentes actividades electrocatalíticas OER tanto en condiciones ácidas como alcalinas a bajo sobrepotencial pero aún carecen de estabilidad a largo plazo. El catalizador comercial de carbono platino como un tipo de electrocatalizador cátodo con la brillante actividad electroquímica de ORR todavía es afectado transversalmente por el electrolito, fácil de ser envenenado y carece de cierta durabilidad. Consecuentemente, debido a las deficiencias anteriores de los catalizadores preciosos, cada vez más investigadores se han dedicado al diseño de catalizadores electroquímicos basados en elementos abundantes en la tierra para el desarrollo sostenible. Curiosamente, los materiales de marco orgánico metálico (MOFs) han atraído tremendo interés debido a su bajo costo, fuentes abundantes, y la capacidad de servir como plantillas para la síntesis de materiales nanoporosos basados en carbono. El material poroso cristalino MOFs usualmente es fácil de diseñar formándose por autoensamblaje de iones metálicos y grupos orgánicos [16, 17]. Los complejos carbono-metal derivados de ellos pueden poseer diferentes morfologías, exhibiendo áreas superficiales extremadamente altas y estructuras de poros jerárquicas que contribuyen grandemente a las actividades electroquímicas de ORR y OER [18, 19]. No obstante, el grado de grafitización de estos materiales es relativamente bajo, reduciendo así la conductividad de los materiales.

Mientras tanto, los nanomateriales de carbono debido a su alta conductividad y morfología controlable son extremadamente atractivos y se han aplicado en muchos dispositivos electroquímicos, como celda de combustible de polímero [2, 20]. Además, se ha probado que los nanomateriales de carbono dopados con elementos heterogéneos pueden mejorar grandemente la actividad catalítica y el área de química superficial [4, 13, 20-26]. Los materiales de carbono hetero-dopados también tienen efecto sinérgico en catálisis directa de ORR [27, 28]. Por lo tanto, para mejorar la conductividad y actividad catalítica de los materiales, es razonable sintetizar materiales eficientes dopados con átomos heterogéneos de material MOFs barato y rico en fuentes, que pueden aplicarse bien en celdas de combustible, baterías metal-aire, y así sucesivamente.

Por lo tanto, reportamos un catalizador electroquímico bifuncional eficiente del marco orgánico metálico con fósforo y carbono co-dopados por un método de dopaje in situ. Hemos encontrado que dopar átomo heterogéneo puede cambiar su morfología y mejorar la conductividad probado por SEM y XPS, lo que le hizo procesar un sobrepotencial favorablemente bajo de 420 mV para lograr la densidad de corriente de 10 mA cm⁻² para OER y el potencial de media onda de 0.8 V para ORR en 0.1 M NaOH. Este prometedor catalizador electroquímico bifuncional puede ser comparable con electrocatalizadores comerciales.

Métodos

Síntesis de Nanomateriales de Carbono Co-MOF

Para sintetizar los nanomateriales de carbono Co-MOF, se realizó un método típico y simple como sigue. Primero, 1.28 g 2-metilimidazol se dispersó ultrasónicamente en 20 mL metanol para formar solución A. 1.0 g acetilacetonato de cobalto(II) se dispersó ultrasónicamente en 60 mL metanol para formar solución B. La solución A se agregó lentamente en la solución B con ultrasonido continuo por 5 min, seguido por agitación vigorosa por otros 10 min a temperatura ambiente. Luego, la mezcla se selló en el reactor de politetrafluoroetileno, que se transfirió al horno de secado al aire y se calentó de temperatura ambiente a 160 °C y se mantuvo a 160 °C por 24 h, seguido por enfriamiento natural a temperatura ambiente. El polvo sólido púrpura obtenido se centrifugó y lavó con metanol varias veces y se secó a 70 °C durante la noche. Los nanocristales preparados se pirolizaron bajo atmósfera de argón en un tubo de cuarzo de flujo continuo colocado en el centro de un horno tubular como sigue. Primero, el producto se calentó de temperatura ambiente a 350 °C a una tasa de 5 °C/min y se mantuvo a 350 °C por 1 h. Luego, lo aumentamos a la temperatura deseada (500, 600, 700, 800 y 900 °C) por 2 h con la misma tasa de calentamiento para obtener Co-MOFs-x, donde "x" representa la temperatura de carbonización.

Síntesis de Nanomateriales de Carbono Co/P-MOF

Para averiguar el impacto de dopar P en las actividades electroquímicas, se adoptaron diferentes fuentes de fosfina durante la síntesis. 1.28 g 2-metilimidazol se dispersó ultrasónicamente en 20 mL metanol para formar solución A. 1.0 g acetilacetonato de cobalto(II) y 0.25 g fuente de fósforo se dispersaron ultrasónicamente en 60 mL metanol para formar solución B. Las fuentes de fósforo fueron hipofosfito de sodio, trifosfina de trifenilo, y O-trimetilfosfina fenilo. Los siguientes pasos fueron los mismos que los anteriores; solo cambiamos la temperatura de carbonización más adecuada a 700 °C. Finalmente, obtuvimos los productos nombrados como Co/P0-MOFs, CoP1-MOFs y Co/P2-MOFs, donde P0, P1 y P2 representan hipofosfito de sodio, trifosfina de trifenilo y O-trimetilfosfina fenilo, respectivamente.

Elegimos la trifosfina de trifenilo como la fuente de fósforo y cambiamos la masa de la fuente de fósforo en el paso 1 a 0.5, 0.75 y 1.0 g, respectivamente. Y los otros pasos experimentales no cambiaron. El producto final se nombró Co/P/MOFs-700-0.25, Co/P/MOFs-700-0.5, Co/P/MOFs-700-0.75 y Co/P/MOFs-700-1.0, respectivamente.

Síntesis de Nanomateriales de Carbono Co-MOFs-C

Para mejorar la conductividad del material, se agregaron fuentes de carbono adicionales. 1.28 g 2-metilimidazol se dispersó ultrasónicamente en 20 mL metanol para formar solución A. 1.0 g acetilacetonato de cobalto(II) y 0.125 g fuentes de carbono se dispersaron ultrasónicamente en 60 mL metanol para formar solución B. Las fuentes de carbono fueron nanotubos de carbono (CNTs), negro de acetileno (CB) y A-OMCS que se prepararon en nuestro artículo formal [25] que fueron tratados con ácido. Los siguientes pasos fueron los mismos que el paso 2.2 (1). Finalmente, obtuvimos los productos nombrados como Co/MOFs-CNTs-700, Co/MOFs-CB-700 y Co/MOFs-A-OMCS-700, respectivamente.

Síntesis de Nanomateriales de Carbono Co/P-MOFs-CNTs-700

Para mejorar la conductividad y rendimiento electrocatalítico, fuentes de carbono y materiales de carbono se usaron simultáneamente en una sola vez. 1.28 g 2-metilimidazol se dispersó ultrasónicamente en 20 mL metanol para formar solución A. 1.0 g acetilacetonato de cobalto(II), 0.25 g trifosfina de trifenilo y 0.125 g CNTs con tratamiento ácido se dispersaron ultrasónicamente en 60 mL metanol para formar solución B. Los siguientes pasos fueron los mismos que los anteriores. Finalmente, obtuvimos los productos nombrados como Co/P/MOFs-CNTs-700.

Caracterización de los Nanomateriales de Carbono Sintetizados

La difracción de rayos X (XRD) se realizó en TD-3500 (Tongda, China) difractómetro. La espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) se realizó usando un espectrómetro fotoelectrónico K-Alpha+ (Thermo Fisher Scientific). Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) se obtuvieron con un microscopio electrónico de barrido SU8220 (Hitachi, Japón). Imágenes de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF) y análisis de mapeo elemental por espectrómetro dispersivo en energía (EDS) se realizaron en modo de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) en un microscopio electrónico de transmisión de emisión de campo FEI Tecnai f20 corregido de aberración; el microscopio electrónico operó a 200 kV.

Pruebas Electroquímicas

Todos los datos de actividad electroquímica se colectaron en una estación de trabajo electroquímica (Ivium, Países Bajos) a temperatura ambiente, acoplada con un sistema de electrodo de disco rotatorio (RDE) (Pine, USA) en un sistema estándar de tres electrodos. El sistema de tres electrodos consistió en un electrodo contraparte de alambre Pt, un electrodo de referencia Hg/HgO (solución 0.1 M NaOH) para medio alcalino, y un electrodo de trabajo basado en carbono vítreo (GC, 0.196 cm²). Los electrodos cargados con catalizador se obtuvieron como sigue. Primero, una tinta de catalizador se preparó ultrasónicamente una mezcla de 1 mL de solución de Nafion etanol 0.25% p/p y 5 mg del catalizador correspondiente por 30 min. Luego, 20 μL de tinta de catalizador se extendieron en un electrodo de trabajo basado en carbono vítreo en las pruebas RDE. Finalmente, el electrodo de trabajo se secó bajo una lámpara infrarroja por 1–2 min. La carga de catalizador fue aproximadamente 0.5 mg cm⁻². Una solución 0.1 M NaOH se empleó como electrolito y se purgó con gas N₂ u O₂ de alta pureza por unos 30 min antes de probar. Pruebas de voltametría de barrido lineal (LSV) se realizaron a una tasa de rotación de 1600 rpm y una tasa de barrido de potencial de 10 mV s⁻¹. La prueba de estabilidad se realizó en Instrumentación Electroquímica Autolab (Metrohm) estación de trabajo en un sistema estándar de tres electrodos, en el cual OER fue por prueba cronopotenciométrica conducida bajo densidad de corriente constante de 10 mA cm⁻² en 0.1 M NaOH con una carga de 0.2 mg cm⁻² y ORR fue por prueba de respuesta cronoamperométrica realizada bajo potencial constante de 0.8 V bajo la misma condición. Todos los potenciales se calibran con respecto al electrodo de hidrógeno reversible (RHE).

Resultados y Discusión

Como se muestra en la Fig. 1a, la difracción de rayos X (XRD) reveló que hemos sintetizado exitosamente poliedrones de materiales de marco orgánico metálico de transición. Al aumentar las temperaturas de carbonización, los picos de difracción a 44.216°, 51.522° y 75.853° se vuelven más distintos, lo que coincide bien con los planos (111), (200) y (220) del cobalto cúbico (PDF#15-0806). Como es sabido por todos, la temperatura de recocido tiene un efecto significativo en el rendimiento fisicoquímico y electroquímico de las muestras [29, 30]. Así, las muestras obtenidas con una serie de gradiente de temperatura se realizaron mediciones electroquímicas para examinar la temperatura optimizada. La Figura 1b muestra las actividades electroquímicas de los materiales tratados a diferentes temperaturas. Es obvio encontrar que el catalizador como preparado carbonizado a 700 °C (Co/MOFs-700) exhibe el mejor rendimiento OER. El sobrepotencial es alrededor de 480 mV para lograr la densidad de corriente de 10 mA cm⁻² en 0.1 M NaOH.

Luego, el Co/MOFs antes de carbonizar y el mejor Co/MOFs-700 realizado fueron seleccionados para realizar mediciones SEM. Como se muestra en la Fig. 1c, d, la morfología del Co/MOFs-700 obtenido ha cambiado grandemente después de carbonizar a 700 °C. Muchas líneas similares a pliegues aparecen en su superficie y no son más suaves que los materiales originales sin carbonizar. Pero aún procesa la morfología poliedro, con dispersión regular de partículas y sin signo de colapso.

Como reportaron artículos previos, dopar fósforo en poliedro de marco orgánico metálico de transición puede aumentar la estabilidad de la muestra en solución ácida o alcalina y también puede mejorar efectivamente la actividad catalítica electroquímica rompiendo la electroneutralidad y facilitando la adsorción de O₂ [31-33]. Por lo tanto, muestras dopadas con fósforo se sintetizan con método de dopaje in situ e investigan el rendimiento electroquímico. Los productos obtenidos fueron nombrados como Co/P0/MOFs-700, Co/P1/MOFs-700 y Co/P2/MOFs-700, mientras que P0, P1 y P2 representan las fuentes de fósforo de hipofosfito de sodio, trifosfina de trifenilo y O-trimetilfosfina fenilo, respectivamente.

Según la Fig. 2a, los picos de difracción de las muestras dopadas con fósforo aún poseen el patrón de cobalto cúbico (PDF#15-0806), indicando que dopar una ligera cantidad de fósforo no cambiaría la estructura de los MOFs. Luego, se realizaron mediciones electroquímicas para explorar la influencia de diferentes fuentes de fósforo en las actividades catalíticas electroquímicas. Como se muestra en la Fig. 2c, el potencial de circuito abierto (0.87 V) y el potencial de media onda (0.78 V) ambos muestran que el Co/P1/MOFs-700 posee la mejor actividad ORR. Sin embargo, es ligeramente más débil que la del producto original Co/MOFs-700 carbonizado bajo la misma temperatura. La Figura 2d representa el rendimiento OER de diferentes productos dopados con fósforo. Cuando la densidad de corriente límite es 10 mA cm⁻², solo Co/P1/MOFs-700 posee el menor sobrepotencial de 430 mV, demostrando que la incorporación de fósforo en las muestras puede aumentar la actividad OER, lo cual coincide con el artículo reportado que la incorporación de fósforo ajustaría la conductividad eléctrica y mientras tanto facilitaría la rápida transferencia de electrones [34]. Además, la Fig. 2b muestra una comparación entre la muestra con trifosfina de trifenilo como fuente de fósforo y la muestra original (Fig. 1c) sin incorporación de elementos. Se puede revelar que la incorporación de fósforo afectó grandemente la morfología del material comparado con Co/MOFs-700. Por lo tanto, dopar fósforo no solo puede mejorar la actividad electroquímica sino también cambiar la morfología de la muestra.

Subsecuentemente, continuamos investigando la influencia en la calidad de la fuente de fósforo dopada. XPS análisis se realizó para sondear la composición y estado químico de las muestras Co/MOFs-700 y Co/P1/MOFs-700. Según la Fig. 3a, el sondeo de espectros XPS de Co/MOFs-700 y Co/P1/MOFs-700 ambos muestran la presencia de Co 2p, O 1s, N 1s y C 1s. Se nota que el pico de P 2p aparece en el sondeo de espectros XPS en Co/P1/MOFs-700 pero muestra una señal bastante débil comparada con picos fuertes de C 1s. Además, la Fig. 3b muestra los espectros Co 2p de Co/MOFs-700 y Co/P1/MOFs-700. Se encontró que el Co 2p 3/2 puede ajustarse en dos picos. Los picos localizados a 778.2° y 780.7° pueden atribuirse a Co (0) y Co (2⁺), mientras Co 2p 1/2 también puede mostrarse en dos picos posicionados a 793.3° y 796.7°, que pueden atribuirse a Co (0) y Co (2⁺). Los picos satélite se posicionaron a 786.2° y 802.7° [35-37]. Cuando se compara con la muestra dopada con fósforo Co/P1/MOFs-700, podemos encontrar que el Co (0) aumentó grandemente mientras Co (2⁺) disminuyó, indicando que dopar fuente de fósforo durante el proceso de síntesis puede aumentar el contenido de Co (0) en las muestras obtenidas. Como se sabe por todos, Co (0) puede mejorar grandemente la conductividad, mejorando así los rendimientos electroquímicos lo cual también está de acuerdo con el reporte previo [38].

Después, continuamos investigando la influencia en la calidad de la fuente de fósforo dopada. Los productos obtenidos con una relación molar diferente de P fueron nombrados como Co/P/MOFs-700-x (x = 0.25, 0.5, 0.75, 1.0), mientras P representa trifosfina de trifenilo y x representa la calidad de la fuente de fósforo. La Figura 4a muestra que al aumentar el contenido de fuentes de fósforo, el patrón XRD muestra que los picos de difracción principales en estas muestras siguen siendo cobalto (PDF#15-0806). Como muestra la Fig. 4b, Co/P/MOFs-700-0.5 posee la mejor actividad ORR cuyo potencial de media onda fue alrededor de 0.8 V entre estos productos dopados con fósforo, pero la actividad ORR de Co/P/MOFs-700-0.5 no aumentó significativamente comparado con la muestra original Co/MOFs-700. Se puede ver de la Fig. 4c que la actividad OER de las muestras aumentó significativamente con la adición de compuestos de trifosfina de trifenilo y disminuyó con el aumento de masa de fuente de fósforo. Cuando la densidad de corriente límite es 10 mA cm⁻², Co/P/MOFs-700-0.25 y Co/P/MOFs-700-0.5 ambos poseen el sobrepotencial mínimo de 450 mV, indicando que solo la cantidad apropiada de fuentes de fósforo puede mejorar la actividad OER mientras la cantidad de 0.25 y 0.5 exhibe lo mejor. Sin embargo, cuando se compara con platino carbono comercial (potencial de media onda 0.81 V, densidad de corriente límite 5.43 mA cm⁻²) y excelente electrocatalizador OER óxido de iridio (1.61 V @ 10 mA cm⁻²), Co/P/MOFs-700-0.5 aún permanece diferencia significativa entre la densidad de corriente límite en rendimiento ORR. Como el artículo reportó, cuando la conductividad del material es pequeña, también lo es la densidad de corriente límite [39].

Para mejorar la conductividad, primero medimos el contenido actual de carbono de Co/P/MOFs-700-0.5 sintetizado analizado por imágenes EDS. Según la Fig. 5, es obvio que la calidad de cobalto representa la mayor parte que toma casi 52.38%, mientras la calidad de carbono es relativamente menos de 29.13%.

Por lo tanto, para mejorar la conductividad del material, dopamosさらに las muestras con carbono sin ninguna fuente de fósforo. Los productos obtenidos fueron nombrados como Co/MOFs-CNTs-700, Co/MOFs-CB-700 y Co/MOFs-A-OMCS-700, respectivamente. La Figura 6a muestra que dopar carbono no afectará la estructura de las muestras, que aún mantiene los mismos picos de difracción de cobalto (PDF#15-0806). Como se muestra en la Fig. 6b, se puede ver que la densidad de corriente límite de los productos aumenta grandemente con la incorporación de fuente de carbono en ORR, mientras la Fig. 6c indicó que la incorporación de fuente de carbono no tiene sentido para mejorar las propiedades OER de los catalizadores.

Combinado con los datos experimentales previos y conclusiones, dopamos la muestra original con ambos elementos fósforo y carbono agregando 0.5 g de trifosfina de trifenilo y una cantidad adecuada de diferentes fuentes de carbono (CNTs, CB y A-OMCS) al material para comparación. Las muestras obtenidas fueron nombradas como Co/P/MOFs-CNTs-700, Co/P/MOFs-CB-700 y Co/P/MOFs-A-OMCS-700, respectivamente. Según la Fig. 7a, no hay cambio del patrón XRD, con todas las muestras coincidiendo bien con cobalto cúbico (PDF#15-0806). Como se muestra en la Fig. 7b, la co-dopación con fósforo y carbono aumentó grandemente la densidad de corriente límite y rendimiento ORR de los productos. La muestra de Co/P/MOFs-CNTs-700 exhibe la mejor actividad ORR, en la cual el potencial de media onda y densidad de corriente límite son 0.8 V y 4.81 mA cm⁻² y son 10 mV menor que el platino carbono comercial. Adicionalmente, como se puede ver claramente en la Fig. 7c, el rendimiento OER de los productos también ha sido grandemente mejorado. La muestra de Co/P/MOFs-CNTs-700 exhibe el menor voltaje de sobrepotencial de 420 mV (Tabla 1). Comparado con el voltaje correspondiente a dióxido de iridio, Co/P/MOFs-CNTs-700 es solo aproximadamente 40 mV más alto que dióxido de iridio. Por lo tanto, Co/P/MOFs-CNTs-700 exhibe ser un electrocatalizador bifuncional favorable.

Mientras tanto, para acceder a la estabilidad del mejor Co/P/MOFs-CNTs-700 realizado, pruebas cronopotenciométricas y de respuesta cronoamperométrica se realizaron. Como se puede ver en la Fig. 8a, b, el sobrepotencial solo aumentó 1.5 mV y el rendimiento ORR se redujo en 79.5% después de 18 h de pruebas continuas, probando que ambas actividades OER y ORR de Co/P/MOFs-CNTs-700 son bastante estables en 0.1 M NaOH.

Microscopía electrónica de barrido, EDS y mapeo en la muestra de Co/P/MOFs-CNTs-700 también se han realizado. Como se puede ver de la Fig. 9a–c, Co/P/MOFs-CNTs-700 retuvo la morfología poliedro con muchas líneas similares a pliegues en la superficie. Además, la incorporación de nanotubos de carbono está incrustada en el esqueleto del producto, lo que puede aumentar el área superficial específica del producto y proporciona más sitios de adsorción para reacción electroquímica. La Figura 9 d–g son los análisis de mapeo de la muestra. Se puede ver que las fuentes de carbono y fósforo están uniformemente dispersas en el esqueleto de la muestra y se vuelven enteras.

Como muestra EDS, el contenido de fósforo y carbono del material aumenta comparado con la muestra original Co/MOFs-700 por dopaje in situ, conduciendo así a la actividad ORR y OER incrementada (Fig. 10). Se demuestra lateralmente que la incorporación de dos tipos de elementos fósforo y carbono podría ser benéfica para aumentar la actividad electroquímica de materiales de marco orgánico metálico conteniendo cobalto [40], porque la electronegatividad de P (2.19) es diferente de la de átomos de carbono (C, 2.55). La co-dopación rompería la electroneutralidad lo que puede facilitar la adsorción de O₂ y mejorar la actividad ORR [41]. Mientras tanto, más sitios activos pueden surgir debido a la co-dopación de fósforo y carbono cambiando la densidad de espín asimétrica de heteroátomos y debilitando efectivamente el enlace O-O, conduciendo así a la actividad ORR mejorada [42].

Las destacadas actividades electroquímicas pueden atribuirse a las siguientes razones. Primero, dopar heteroátomos conduciría a la redistribución de la densidad de carga en la superficie del catalizador, lo cual es benéfico para adsorber oxígeno y promover las actividades ORR [43]. Segundo, co-dopar diferentes átomos en los MOFs resultaría en efecto sinérgico que también contribuye al rendimiento electroquímico mejorado [44]. Tercero, se ha probado que el mecanismo OER de catalizador basado en Co es un proceso de auto-reconstrucción dinámica de superficie. Los átomos de Co en la superficie podrían formar una capa activa de metal oxi(hidróxido) CoOOH autoensamblada que funciona como sitio activo real [45]. Además de la composición, la estructura híbrida única combinada con su alta conductividad podría proporcionar gran área superficial para la transferencia de carga rápida.

Conclusión

En conclusión, un nanomaterial de carbono de marco orgánico metálico de transición poliedro eficiente y rentable (Co/P/MOFs-CNTs-700) co-dopado con fuentes de fósforo y carbono ha sido sintetizado exitosamente, que puede servir como un catalizador electroquímico bifuncional eficiente y barato. El menor sobrepotencial de Co/P/MOFs-CNTs-700 es 420 mV para lograr la densidad de corriente de 10 mA cm⁻² para OER, y el potencial de media onda es 0.8 V para ORR en 0.1 M NaOH, que es muy cercano a los de catalizadores electroquímicos comerciales. Podría utilizarse como un prometedor electrocatalizador bifuncional electroquímico en el campo de almacenamiento de energía y también proporcionar una prometedora visión para diseñar electrocatalizador bifuncional electroquímico.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Los datos usados para apoyar los hallazgos de este estudio están incluidos dentro del artículo.

Abreviaturas

ORR:

Reacción de reducción de oxígeno

OER:

Reacción de evolución de oxígeno

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

HAADF:

Campo oscuro anular de alto ángulo

EDS:

Espectrómetro dispersivo en energía

STEM:

Microscopía electrónica de transmisión de barrido

XPS:

Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X

XRD:

Difracción de rayos X

RDE:

Electrodo de disco rotatorio

Co-MOFs-x:

Marco orgánico metálico de cobalto-x representa temperatura

Co/P-MOFs:

Marco orgánico metálico cobalto/fósforo

Co/P/MOFs-700-0.25:

Marco orgánico metálico cobalto/fósforo-700 °C-masa de fuente de fósforo 0.25

Co-MOFs-C:

Marco orgánico metálico cobalto-carbono

Co/P/MOFs-CNTs-700:

Marco orgánico metálico cobalto/fósforo-nanotubos de carbono-700 °C

GC:

Carbono vítreo

LSV:

Voltametría de barrido lineal

RHE:

Electrodo de hidrógeno reversible

Pt/C:

Catalizador platino/carbono