Phosphorus-Doped Carbon as Efficient Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction

Electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) has attracted much attention due to its importance in fuel cells and metal–air batteries [1-3]. The ORR in fuel cells and metal-air batteries require  catalysts  to  accelerate the reaction rate owing to its sluggish kinetics and complicated reaction mechanism. Pt-based ca talysts are known to be the most active catalysts.  However, Pt is scarce and expensive.  The  development of low-cost and efficient catalysts for the ORR is highly desirable [4,5]. Heteroatoms-doped carbon meterials have been explored as alternative electrocatalysts  for the ORR due to  their more  abundance, lower price and high activity [6,7]. 

In this work, phosphorus (P)-doped carbon is facilely synthesized by both ex-situ and in-situ doping method. The catalytic activity of P-doped  carbon for the ORR  in 0.1 M KOH solution has been studied by  using a rotating ring-disk electrode (RRDE) technique. The RRDE results show that P-doped carbon exhibits excellent catalytic activity for the ORR (Fig.1 and Fig.2)and long-term stability in basic media (Fig.3 ).  The high elecctrocatalytic activity and durability of P-doped carbon are primarily attributed to the P-doping in the carbon lattice. Moreover, the factors that influence the ORR activity of P-doped microporous  carbon are studied in detail. This kind of low cost, highly active and sustainable P-doped carbon xerogels could be used as a potential electrocatalyst for the cathodic ORR in fuel cells and metal-air batteries.

Acknowledgements 

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 51272167 and 21206101 ), Natural Science Foundation of the Higher Education Institutions of Jiangsu Province, China (12KJB430010) and Sino-German Network on  Electromobility. 

References

[1] P. G. Bruce, L. J. Hardwick, K. M. Abraham, Mater. Res. Soc.Bull. 36,506 (2011).

[2] M. Armand, J. M. Tarascon, Nature 451,652 (2008) .

[3] V. Neburchilov, H. J. Wang, J. J. Martin & W. Qu, J. Power Sources 195,1271 (2010).  

[4] P.H. Matter, U.S. Ozkan, Catal. Lett. 109, 115(2006).

[5] T.Fujigaya , M.Okamoto, N.Nakashima , Carbon 47, 3227(2009).

[6] J.-S.Lee, G.S. Park, S. T. Kim, M.L. Liu and J.Cho, Angew. Chem. Int. Ed. 51, 1 (2012).

[7] N.S.Stephanie,  A. Wieckowski, J.Electroanal. Chem. 652, 44 (2011).

Figure 1. Linear sweeping voltammograms (LSVs) on rotating ring-disk electrode (RRDE) for carbon and P-doped carbon with different amount of P. The disk potential was scanned at 10 mV s-1 and the ring potential was fixed at 0.5 V.

Figure 2. Tafel plots of carbon, P-doped carbon and commercial Pt/C (20 wt.% Pt on carbon) derived by the masstransport correction of corresponding LSV data recorded in O2-saturated 0.1 M KOH.

Figure 3. LSVs of P-doped carbon and of commercial Pt/C (20 wt.% Pt on carbon) for the 1st cycle and 2000 th cycle in O2-saturated 0.1 M KOH at a rotating speed of 1600 rpm.