Production and electrocatalytic activity of graphene-phosphorene structures decorated with cobalt atoms

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Nitrogen-doped few-layer graphene structures were synthesized by the plasma-assisted electrochemical exfoliation of graphite and were used to prepare composites with phosphorene structures obtained as a result of ultrasonic exfoliation of a black phosphorus porous electrode with cobalt preliminarily deposited on it. The catalytic activity towards hydrogen evolution reaction of few-layer graphene and phosphorene structures, as well as their mixtures was studied, and mixed electrocatalysts was shown to demonstrate the highest activity towards hydrogen evolution reaction.

Full Text

Restricted Access

About the authors

R. A. Manzhos

Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: rmanzhos@yandex.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow region

N. S. Komarova

Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: rmanzhos@yandex.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow region

A. S. Kotkin

Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: rmanzhos@yandex.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow region

V. K. Kochergin

Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: rmanzhos@yandex.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow region

T. R. Prikhodchenko

Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: rmanzhos@yandex.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow region

A. G. Krivenko

Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: rmanzhos@yandex.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow region

References

  1. Bockris, J.O’.M., The hydrogen economy: Its history, Intern. J. Hydrogen Energy, 2013, vol. 38, p. 2579.
  2. Pudukudy, M., Yaakob, Z., Mohammad, M., Narayanan, B., and Sopian, K., Renewable hydrogen economy in Asia – Opportunities and challenges: An overview, Renewable Sustainable Energy Rev., 2014, vol. 30, p. 743.
  3. Miyazaki, J., Kajiyama, T., Matsumoto, K., Fujiwarat, H., and Yatabe, M., Ultra high purity hydrogen gas supply system with liquid hydrogen, Intern. J. Hydrogen Energy, 1996, vol. 21, p. 335.
  4. Zhao, G., Rui, K., Dou, S.X., and Sun, W., Heterostructures for electrochemical hydrogen evolution reaction: A review, Adv. Funct. Mater, 2018, vol. 28, p. 1803291.
  5. Chen, Y., Wang, X., Lao, M., Rui, K., Zheng, X., Yu, H., Ma, J., Dou, S.X., and Sun, W., Electrocatalytically inactive SnS2 promotes water adsorption/dissociation on molybdenum dichalcogenides for accelerated alkaline hydrogen evolution, Nano Energy, 2019, vol. 64, p. 103918.
  6. Lao, M., Rui, K., Zhao, G., Cui, P., Zheng, X., Dou, S.X., and Sun, W., Platinum/nickel bicarbonate heterostructures towards accelerated hydrogen evolution under alkaline conditions, Angew. Chem. Int. Ed., 2019, vol. 58, p. 5432.
  7. He, L., Lian, P., Zhu, Y., Lu, Q., Wang, C., and Mei, Y., Review on applications of black phosphorus in catalysis, J. Nanosci. Nanotechnol., 2019, vol. 19, p. 5361.
  8. Dinh, K.N., Zhang, Y., Zhu, J., and Sun, W., Phosphorene‐based electrocatalysts, Chem. Europ. J., 2020, vol. 26, p. 6437.
  9. Shao, L., Sun, H., Miao, L., Chen, X., Han, M., Sun, J., and Chen, J., Facile preparation of NH 2 -functionalized black phosphorene for the electrocatalytic hydrogen evolution reaction, J. Mater. Chem. A, 2018, vol. 6, p. 2494.
  10. Luo, Z.-Z., Zhang, Y., Zhang, C., Tan, H.T., Li, Z., Abutaha, A., and Yan, Q., Multifunctional 0D-2D Ni2P nanocrystals-black phosphorus heterostructure, Adv. Energy Mater., 2016, vol. 7, p. 1601285.
  11. Batmunkh, M., Bat-Erdene, M., and Shapter, J.G., Phosphorene and phosphorene-based materials – Prospects for future applications, Adv. Mater., 2016, vol. 28, p. 8586.
  12. Peng, Y., Lu, B., Wang, N., Lu, J.E., Li, C., Ping, Y., and Chen, S., Oxygen reduction reaction catalyzed by black phosphorus-supported metal nanoparticles: Impacts of interfacial charge transfer, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, vol. 11, p. 24707.
  13. Liu, D., Wang, J., Lu, J., Ma, C., Huang, H., Wang, Z., Wu, L., Liu, Q., Jin, S., Chu, P.K., and Yu, X.-F., Direct synthesis of metal-doped phosphorene with enhanced electrocatalytic hydrogen evolution, Small Methods, 2019, vol. 3, p. 1900083.
  14. Kochergin, V.K., Manzhos, R.A., Khodos, I.I., and Krivenko, A.G., One-step synthesis of nitrogen-doped few-layer graphene structures decorated with Mn 1.5 Co 1.5 O 4 nanoparticles for highly efficient electrocatalysis of oxygen reduction reaction, Mendeleev Commun., 2022, vol. 32, p. 494.
  15. Krivenko, A.G., Manzhos, R.A., Kotkin, A.S., Kochergin, V.K., Piven, N.P., and Manzhos, A.P., Production of few-layer graphene structures in different modes of electrochemical exfoliation of graphite by voltage pulses, Instrum. Sci. Technol., 2019, vol. 47, p. 535.
  16. Кривенко, А.Г., Манжос, Р.А., Кочергин, В.К., Малков, Г.В., Тарасов, А.Е., Пивень, Н.П. Плазмоэлектрохимический синтез малослойных графеновых структур для модификации эпоксидного связующего. Химия высоких энергий. 2019. Т. 53. С. 243. [Krivenko, A.G., Manzhos, R.A., Kochergin, V.K., Malkov, G.V., Tarasov, A.E., and Piven, N.P., Plasma electrochemical synthesis of few-layer graphene structures for modification of epoxy binder, High Energy Chem., 2019, vol. 53, p. 254.]
  17. Belkin, P.N. and Kusmanov, S.A., Plasma electrolytic hardening of steels: Review, Surf. Eng. Appl. Electrochem., 2016, vol. 52, p. 531.
  18. Wang, Y., He, M., Ma, S., Yang, C., Yu, M., Yin, G., and Zuo, P., Low-temperature solution synthesis of black phosphorus from red phosphorus: Crystallization mechanism and lithium ion battery applications, J. Phys. Chem. Lett., 2020, vol. 11, p. 2708.
  19. Wang, R., Zhang, M., Ge, L., Zhang, B., Zhou, J., Liu, S., and Jiao, T., Facile preparation of black phosphorus-based rGO-BP-Pd composite hydrogels with enhanced catalytic reduction of 4-nitrophenol performances for wastewater treatment, J. Mol. Liq., 2020, vol. 310, p. 113083.
  20. Vasiliev, V.P., Kotkin, A.S., Kochergin, V.K., Manzhos, R.A., and Krivenko, A.G., Oxygen reduction reaction at few-layer graphene structures obtained via plasma-assisted electrochemical exfoliation of graphite, J. Electroanal. Chem., 2019, vol. 851, p. 113440.
  21. Liang, T., Liu, Y., Zhang, P., Liu, C., Ma, F., Yan, Q., and Dai, Z., Interface and valence modulation on scalable phosphorene/phosphide lamellae for efficient water electrolysis, J. Chem. Eng., 2020, vol. 395, p. 124976.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. SEM images of N-MGS (a) and Co-FS (b) samples.

Download (215KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. High-resolution P 2p spectrum of Co-FS sample.

Download (82KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Hydrogen evolution reaction on the initial glassy carbon (1), N-MGS with different loading, mg/cm2: 0.1 – 2, 0.2 – 2’, 0.4 – 2’’, Co-FS (3) and mixed composites with different ratios of the initial suspensions of Co-FS and N-MGS: 8: 1 – 4, 7: 2 – 5, 5: 4 – 6. The inset shows the corresponding Tafel dependences.

Download (94KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».