Effects of halogen doping on nanocarbon catalysts synthesized by a solution plasma process for the oxygen reduction reaction

文献情報

出版日 2016-07-08
DOI 10.1039/C6CP03579E
インパクトファクター 3.676
著者

Yuta Wada, Satoshi Chiba, Sou Kumagai, Hoonseung Lee, Ai Serizawa, Oi Lun Li, Gasidit Panomsuwan


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要旨

Halogen-doped carbon nanoparticles (CNPs) were synthesized by a simple one-step solution plasma process at room temperature using a mixture of benzene (C6H6) and organics containing halogen atoms as the precursors (i.e., hexafluorobenzene (C6F6), hexachlorobenzene (C6Cl6), and hexabromobenzene (C6Br6)). The experimental results demonstrated that halogen doping, especially F and Cl, could lead to more efficient removal of residual hydrogen compared to carbon synthesized with pure benzene. This phenomenon was related to the different binding energies between hydrogen and halogens to form hydrogen halides. Their crystallinity and morphology did not change and remained the same as non-doped carbon. The electrochemical evaluation of oxygen reduction reaction (ORR) activity in an alkaline solution revealed that halogen doping did not play a significant role in shifting the onset potential for the ORR, while a slight enhancement in diffusion limited current density was observed at high overpotentials. Moreover, the electron transfer number involved in the ORR process determined from the Koutecky–Levich plot at −0.6 V was found to increase for halogen-doped carbons in the following order: F-CNPs > Br-CNPs > Cl-CNPs > CNPs. The improved ORR performance of F-CNPs could reasonably be attributed to the synergistic effects of specific bonding states between the halogen and carbon, structural defects and surface functional groups. Our results confirmed the validity of using halogen doping to improve the ORR catalytic activity of CNPs.

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Physical Chemistry Chemical Physics

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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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