Nanoporous Graphene Enriched with Fe/Co-N Active Sites as a Promising Oxygen Reduction Electrocatalyst for Anion Exchange Membrane Fuel Cells

Advanced Functional Materials

Volumn 26, Issue 13, 2016, Pages 2150-2162

  Palaniselvam, Thangavelu ^a,b   Kashyap, Varchaswal ^b   Bhange, Siddeswar N ^b   Baek, Jong Beom ^a   Kurungot, Sreekumar ^b  

^a Ulsan National Institute of Science and Technology   (South Korea)

^b NATIONAL CHEMICAL LABORATORY   (India)

Author keywords

electrocatalyst; nitrogen doping; oxygen reduction reaction; porous grapheme; quantum dots

Indexed keywords

CARBON; ELECTROCATALYSTS; ELECTROLYSIS; ELECTROLYTIC REDUCTION; FUEL CELLS; GRAPHENE; ION EXCHANGE MEMBRANES; NITROGEN; OXYGEN; PLATINUM; PLATINUM ALLOYS; REDUCTION; SECONDARY ION MASS SPECTROMETRY; SEMICONDUCTOR QUANTUM DOTS;

ANION-EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS; ELECTROCHEMICAL OXYGEN REDUCTION; HALF-WAVE POTENTIAL; MAXIMUM POWER DENSITY; NITROGEN-DOPING; OXYGEN REDUCTION REACTION; POROUS GRAPHEME; STRUCTURAL INFORMATION;

ALKALINE FUEL CELLS;

EID: 85010244219     PISSN: 1616301X     EISSN: 16163028     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/adfm.201504765     Document Type: Article

References (101)

1. a) J. P. Paraknowitsch, A. Thomas, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2839;
2. b) M. Zhang, L. Dai, Nano Energy 2012, 1, 514;
3. c) Z. Yang, H. Nie, X. Chen, X. Chen, S. Huang, J. Power Sources 2013, 236, 238.
4. L. Lai, J. R. Potts, D. Zhan, L. Wang, C. K. Poh, C. Tang, H. Gong, Z. Shen, J. Lin, R. S. Ruoff, Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7936.
5. R. Jasinski, J. Electrochem. Soc. 1965, 112, 526.
6. a) D. Villers, X. J. Bedard, J. P. Dodelet, J. Electrochem. Soc. 2004, 151, 1507;
7. b) H. R. Byon, J. Suntivich, E. J. Crumlin, Y. S. Horn, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 21437;
8. c) A. M. Videla, S. Ban, S. Specchia, L. Zhang, J. Zhang, Carbon 2014, 76, 386;
9. d) G. Goenaga, S. Ma, S. Yuan, D. J. Liu, ECS Trans. 2010, 33, 579;
10. e) K. Parvez, S. Yang, Y. Hernandez, A. Winter, A. Turchanin, X. Feng, K. Mullen, ACS Nano 2012, 6, 9541.
11. a) Z. S. Wu, S. Yang, Y. Sun, K. Parvez, X. Feng, K. Mullen, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9082;
12. b) Y. Liang, H. Wang, J. Zhou, Y. Li, J. Wang, T. Regier, H. Dai, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 3517;
13. c) T. Y. Ma, S. Dai, M. Jaroniec, S. Z. Qiao, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 13925.
14. N. A. Vante, I. V. Malakhov, S. G. Nikitenko, E. R. Savinova, D. I. Kochubey, Electrochim. Acta 2002, 47, 3807.
15. a) Z. H. Sheng, L. Shao, J. J. Chen, W. J. Bao, F. B. Wang, X. H. Xia, ACS Nano 2011, 5, 4350;
16. b) L. Qu, Y. Liu, J. B. Baek, L. Dai, ACS Nano 2010, 4, 1321.
17. a) A. K. Geim, K. S. Novoselov, Nat. Mater. 2007, 6, 183;
18. b) C. Huang, C. Li, G. Shi, Energy Environ. Sci. 2012, 5, 8848;
19. c) W. Yuan, Y. Zhou, Y. Li, C. Li, H. Peng, J. Zhang, Z. Liu, L. Dai, G. Shi, Sci. Rep. 2013, 3, 2248.
20. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Science 2004, 306, 666.
21. M. Y. Han, B. Ozyilmaz, Y. Zhang, P. Kim, Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 206805.
22. L. A. Ponomarenko, F. Schedin, M. I. Katsnelson, R. Yang, E. W. Hill, K. S. Novoselov, A. K. Geim, Science 2008, 320, 356.
23. S. Zhu, J. Zhang, C. Qiao, S. Tang, Y. Li, W. Yuan, B. Li, L. Tian, F. Liu, R. Hu, H. Gao, H. Wei, H. Zhang, H. Sun, B. Yang, Chem. Commun. 2011, 47, 6858.
24. A. Lherbier, X. Blase, Y. M. Niquet, F. Triozon, S. Roche, Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 036808.
25. a) C. Zhang, N. Mahmood, H. Yin, F. Liu, Y. Hou, Adv. Mater. 2013, 25, 4932;
26. b) Z. H. Sheng, H. L. Gao, W. J. Bao, F. B. Wang, X. H. Xia, J. Mater. Chem. 2012, 22, 390;
27. c) Z. Yang, Z. Yao, G. Li, G. Fang, H. Nie, Z. Liu, X. Zhou, X. Chen, S. Huang, ACS Nano 2012, 6, 205;
28. d) S. Lee, M. Choun, Y. Ye, J. Lee, Y. Mun, E. Kang, J. Hwang, Y. H. Lee, C. H. Shin, S. H. Moon, S. K. Kim, E. Lee, J. Lee, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9230;
29. e) J. Qi, N. Benipal, H. Wang, D. J. Chadderdon, Y. Jiang, W. Wei, Y. H. Hu, W. Li, ChemSusChem 2015, 8, 1147.
30. a) H. T. Chung, J. H. Won, P. Zelenay, Nat. Commun. 2013, 4, 1922;
31. b) T. Palaniselvam, R. Kannan, S. Kurungot, Chem. Commun. 2011, 47, 2910;
32. c) K. Parvez, S. Yang, Y. Hernandez, A. Winter, A. Turchanin, X. Feng, K. Mullen, ACS Nano 2012, 6, 9541;
33. d) H. R. Byon, J. Suntivich, Y. S. Horn, Chem. Mater. 2011, 23, 3421;
34. e) D. W. Kim, O. L. Lib, N. Saito, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 14905;
35. f) M. Lefevre, J. P. Dodelet, P. Bertrand, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 16718;
36. g) W. Li, J. Wu, D. C. Higgins, J.Y. Choi, Z. Chen, ACS Catal. 2012, 2, 2761;
37. h) H. Yin, C. Zhang, F. Liu, Y. Hou, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2930;
38. i) J. Wang, G. Wang, S. Miao, J. Lia, X. Bao, Faraday Discuss. 2014, 176, 135;
39. j) Q. Dong, X. Zhuang, Z. Li, B. Li, B. Fang, C. Yang, H. Xie, F. Zhang, X. Feng, J. Mater. Chem. A 2015, 3, 7767.
40. a) J. Du, F. Cheng, S. Wang, T. Zhang, J. Chen, Sci. Rep. 2014, 4, 4386;
41. b) Y. Jiang, Y. Lu, X. Wang, Y. Bao, W. Chena, L. Niu, Nanoscale 2014, 6, 15066;
42. c) Y. Hou, Z. Wen, S. Cui, S. Ci, S. Mao, J. Chen, Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 872;
43. d) T. Kottakkat, M. Bron, ChemElectroChem 2014, 1, 2163;
44. e) K. Lee, L. Zhang, H. Lui, R. Hui, Z. Shi, J. Zhang, Electrochim. Acta 2009, 54, 4704;
45. f) D. N. Thanh, A. I. Frenkel, J. Wang, S. O'Briena, D. L. Akins, Appl. Catal. B: Environ. 2011, 105, 50;
46. g) Z. S. Wu, L. Chen, J. Liu, K. Parvez, H. Liang, J. Shu, H. Sachdev, R. Graf, X. Feng, K. Müllen, Adv. Mater. 2014, 26, 1450.
47. a) G. Wu, K. L. More, C. M. Johnston, P. Zelenay, Science 2011, 332, 443;
48. b) S. Li, L. Zhang, J. Kim, M. Pan, Z. Shi, J. Zhang, Electrochim. Acta 2010, 55, 7346;
49. c) H. Ghanbarlou, S. Rowshanzamir, B. Kazeminasab, M. J. Parnian, J. Power Sources 2015, 273, 981;
50. d) D. A. Scherson, S. L. Gupta, C. Fierro, E. B. Yeager, M. E. Kordesch, J. Eldridge, R.W. Hoffman, J. Blue, Electrochim. Acta 1983, 28, 1205.
51. a) X. Han, M. R. Funk, F Shen, Y. C. Chen, Y. Li, C. J. Campbell, J. Dai, X. Yang, J W. Kim, Y Liao, J. W. Connell, V. Barone, Z. Chen, Y. Lin, L. Hu, ACS Nano 2014, 8, 8255;
52. b) Y Xu, Z. Lin, X. Zhong, X Huang, N. O. Weiss, Y Huang, X. Duan, Nat. Commun. 2014, 5, 4554;
53. c) Y. Xu, C. Y. Chen, Z. Zhao, Z. Lin, C. Lee, X. Xu, C. Wang, Y. Huang, M. I. Shakir, X. Duan, Nano Lett. 2015, 15, 4605;
54. d) Y. Y. Peng, Y. M. Liu, J. K. Chang, C. H. Wu, M. D. Ger, N. W. Pu, C. L. Chang, Carbon 2015, 81, 347;
55. e) C. H. Yang, P. L. Huang, X. F. Luo, C. H. Wang, C. Li, Y. H. Wu, J. K. Chang, ChemSusChem 2015, 8, 1779.
56. T. Palaniselvam, H. B. Ayiappa, S. Kurungot, J. Mater. Chem. 2012, 22, 23799.
57. D. Jiang, V. R. Cooper, S. Dai, Nano Lett. 2009, 9, 4019.
58. G. Wu, P. Zelenay, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1878.
59. a) I. Morcosand, E. Yeager, Electrochim. Acta. 1970, 15, 953;
60. b) D. Y. Qu, Carbon 2007, 45, 1296.
61. T. Palaniselvam, M. O. Valappil, R. Illathvalappil, S. Kurungot, Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1059.
62. Y. Hu, J. O. Jensen, W. Zhang, L. N. Cleemann, W. Xing, N. J. Bjerrum, Q. Li, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 3675.
63. Y. Zhang, G. S. Chaubey, C. Rong, Y. Ding, N. Poudyal, P. Tsai, Q. Zhang, J. P. Liu, J. Magn. Magn. Mater. 2011, 323, 1495.
64. B. Rajagopalan, J. S. Chung, Nanoscale Res. Lett. 2014, 9, 535.
65. a) J. S. Lee, G. S. Park, S. T. Kim, M. Liu, J. Cho, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1026;
66. b) A. B. Mendez, J. C. Delgado, A. M. Gomez, J. M. R. Herrera, A. G. Rodriguez, H. Navarro, M. A. Vidal, H. Terrones, M. Terrones, Chem. Phys. Lett. 2008, 453, 55;
67. c) S. J. Shin, Y. H. Kim, C. W. Kim, H. G. Cha, Y. J. Kim, Y. S. Kang, Curr. Appl. Phys. 2007, 7, 404.
68. A. Reina, X. Jia, J. Ho, D. Nezich, H. Son, V. Bulovic, M. S. Dresselhaus, J. Kong, Nano Lett. 2009, 9, 30.
69. Z. Lin, G. Waller, Y. Liu, M. Liu, C. P. Wong, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 884.
70. X. Li, H. Wang, J. T. Robinson, H. Sanchez, G Diankov, H. Dai, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15939.
71. a) E. Y. Jiang, D. C. Sun, C. Lin, M. B. Tian, H. L. Bai, S. L. Ming, J. Appl. Phys. 1995, 78, 2596;
72. b) X. Wang, W. T. Zheng, H. W. Tian, S. S. Yu, W. Xu, S. H. Meng, X. D. He, J. C. Han, C. Q. Sun, B. K. Tay, Appl. Surf. Sci. 2003, 220, 30.
73. Z. Li, H. Chen, H. Bao, M. Gao, Chem. Mater. 2004, 16, 1391.
74. H. Peng, Z. Mo, S. Liao, H. Liang, L. Yang, F. Luo, H. Song, Y. Zhong, B. Zhang, Sci. Rep. 2013, 3, 1765.
75. G. Wu, Z. Chen, K. Artyushkova, F. H. Garzon, P. Zelenay, ECS Trans. 2008, 16, 159.
76. a) D. Gallant, M. Pezolet, S. Simard, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 6871;
77. b) J. S. Li, S. L. Li, Y. J. Tang, M. Han, Z. H. Dai, J. C. Bao, Y. Q. Lan, Chem. Commun. 2015, 51, 2710.
78. B. Stohr, H. P. Boehm, R. Schlogl, Carbon 1991, 29, 707.
79. S. M. Unni, S. Devulapally, N. Karjulea, S. Kurungot, J. Mater. Chem. 2012, 22, 23506.
80. R. Silva, D. Voiry, M. Chhowalla, T. Asefa, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 7823.
81. J. R. Pels, F. Kapteijn, J. A. Moulijn, Q. Zhu, K. M. Thomas, Carbon 1995, 33, 1641.
82. a) K. Jurewicz, K. Babel, A. Ziolkowski, H. Wachowska, Electrochim. Acta 2003, 48, 1491;
83. b) T. Sharifi, G. Hu, X. Jia, T. Wagberg, ACS Nano 2012, 6, 8904.
84. a) H. Yin, C. Zhang, F. Liu, Y. Hou, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2930;
85. b) S. Zhang, H. Zhang, Q. Liu, S. Chen, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 3302.
86. a) H. R. C. Mercado, B. N. Popov, J. Power Sources 2006, 155, 253;
87. b) Z. Lin, G. Waller, Y. Liu, M. Liu, C. P. Wong, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 884.
88. Y. Chang, F. Hong, C. He, Q. Zhang, J. Liu, Adv. Mater. 2013, 25, 4794.
89. a) C. C. L. McCrory, S. Jung, J. C. Peters, T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16977;
90. b) C. C. L. McCrory, S. Jung, I. M. Ferrer, S. M. Chatman, J. C. Peters, T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4347.
91. S. Ganesan, N. Leonard, S. C. Barton, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 4576.
92. a) J. Han, Y. J. Sa, Y. Shim, M. Choi, N. Park, S. H. Joo, S. Park, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 12622;
93. b) R. Cao, R. Thapa, H. Kim, X. Xu, M. G. Kim, Q. Li, N. Park, M. Liu, J. Cho, Nat. Commun. 2013, 4, 2076;
94. c) W. Li, A. Yu, D. C. Higgins, B. G. Llanos, Z. Chen, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 17056;
95. d) S. Gupta, C. Fierro, E. Yeager, J. Electroanal. Chem. 1991, 306, 239.
96. U. Tylus, Q. Jia, K. Strickland, N. Ramaswamy, A. Serov, P. Atanassov, S. Mukerjee, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 8999.
97. D. Singh, K. Mamtani, C. R. Bruening, J. T. Miller, U. S. Ozkan, ACS Catal. 2014, 4, 3454.
98. J. R. Varcoe, R. C. T. Slade, G. L. Wright, Y. Chen, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21041.
99. C. V. Rao, Y. Ishikawa, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 4340.
100. R. Othman, A. L. Dicks, Z. Zhu, Int. J. Hydrogen Energy 2012, 37, 357.
101. M. Lefevre, E. Proietti, F. Jaouen, J. P. Dodelet, Science 2009, 324, 71.