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糯米煮出来的石墨烯催化新解:缺陷 vs 掺杂

氧化原反应(ORR)和氧析出反应(OER)是未来清洁高效储能系统的核心反应过程,广泛存在于燃料电池、金属空气电池、电解水等技术中。但作为非均相催化过程,且包含多电子转移,其高过电势导致了较低的能量效率,限制了技术的发展,因而迫切需要高效稳定的催化剂的研究开发。

以石墨烯为代表的纳米碳材料具有优异的物理和化学特性,广泛应用于能源存储和催化领域。比如,氮掺杂的纳米碳材料可以表现出媲美贵金属的氧还原催化性能。然而到目前为止,对于纳米碳材料在ORR和OER电催化过程中真正的活性位点的指认和催化机理的理解仍然莫衷一是。因此,深入研究纳米碳的电催化活性来源,以期获得更本征的认识和理解,对于合理设计优化ORR和OER的无金属碳基双功能催化剂至关重要。

近期,清华大学化工系研究组与中科院金属研究所、英国伦敦玛丽女王大学的联合研究团队在Advanced Materials上报道了一种新型的石墨烯材料,即杂原子掺杂和富含孔洞边缘的氮掺杂石墨烯筛网(NGM),论文共同第一作者为清华大学博士生唐城王浩帆陈翔

糯米煮出来的石墨烯催化新解:缺陷 vs 掺杂

糯米碳化所得掺氮石墨烯筛网材料的氧化原活性和拓扑缺陷的作用

以该材料为模型,作者系统研究了ORR/OER催化过程中纳米碳催化剂的活性来源。NGM通过对原位混合制备的“糯米/三聚氰胺/ Mg(OH)2”的三元“碳源/氮源/模板”前驱体直接碳化获得,方法简单高效,且成本低廉。研究发现该材料在ORR和OER表现出优异的性能,10 mA cm-2的OER电流密度对应的电位与ORR半波电位的差值仅为0.90V,是目前已知的最好的无金属双功能碳基催化剂之一。论文着重探讨了氮掺杂效应和边缘拓扑缺陷对于电催化活性的影响,并采用密度泛函计算来阐明背后的机理。研究工作揭示了边缘拓扑缺陷的重要性,认为在一定条件下拓扑缺陷,特别是在纳米碳材料边缘的缺陷位点,甚至可以表现出高于杂原子掺杂的催化活性。计算表明,一种不含杂原子的全碳五边形和七边形相邻组合,展现出最低的理论过电势。此外,该工作还研究了NGM材料在锌空电池中的应用性能。

该研究工作开发了一种新型石墨烯材料的高效合成方法,且所得材料具有优异的电催化性能。更重要的是,与之前该领域的研究报道不同,该工作明确揭示了纳米碳材料电催化剂中的拓扑缺陷的重要性。但系统地分析比对不同的研究成果可以发现,对于目前认为的几种活性来源,无论是杂原子掺杂、边缘效应、还是拓扑缺陷,其作用机制都是类似的,都是通过改变sp2碳的电子/自旋结构,优化对中间产物的吸附能,强化电子转移,从而实现了电催化性能的提升。

糯米煮出来的石墨烯催化新解:缺陷 vs 掺杂

碳纳米材料的电催化氧还原反应活性的来源

针对这一话题,张强课题组撰写了相关的Progress Report,近日发表在Advanced Materials上,对于进一步系统地理解纳米碳材料在电催化过程中的活性机制,进行最佳的活性位设计和材料可控合成具有重要的指导意义,为石墨烯材料和电催化的研究、储能催化的发展提供了新的方向。作者在总结相关成果的基础上,展望了碳基电催化剂的未来研究,认为在缺陷边缘的定制化掺杂将是重要的发展方向。

相关工作发表在Advanced MaterialsDOI: 10.1002/adma.201604103)上。

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