缺陷工程和化學(xué)摻雜對于無金屬碳電催化劑用于氧還原反應(yīng)(ORR)有著重要的作用。碳電極中缺陷和摻雜劑的精確控制和設(shè)計(jì)，有利于機(jī)制理解活性-結(jié)構(gòu)關(guān)系，這對于定制碳基材料，尤其是石墨烯基電極材料的催化性能尤為重要。這里，采用單層石墨烯-一種模型碳基電極-用于系統(tǒng)地引入氮和氧摻雜劑以及空位缺陷，并研究其在催化ORR中的作用。與原始石墨烯相比，氮摻雜對ORR活性的影響有限。相比之下，空位缺陷或氧預(yù)摻雜的氮摻雜石墨烯，在0.4 V (vs. RHE)時其活性分別增加了1.2倍和2.0倍。含氧缺陷功能化的氮摻雜石墨烯表現(xiàn)出最優(yōu)的ORR活性，分別是氮摻雜石墨烯和原始石墨烯12.8倍和7.7 倍。更重要的是，含氧缺陷與4e-路徑高度相關(guān)。這項(xiàng)工作表明氧的重要貢獻(xiàn)，尤其是含氧空位缺陷可以大幅度提高氮摻雜石墨烯的催化活性。
Figure 1. 單層石墨烯中的N摻雜。(a) 拉曼光譜。(b) 強(qiáng)度比
I(2D)/
I(G) 作為氮化時間 (tN) 的函數(shù)。(c) 強(qiáng)度比
I(D)/
I(G)（黑色）和 I(D)/I(D')（藍(lán)色）相對于 tN的演變過程。(d) D波段的拉曼映射。(e) 液體門控石墨烯場效應(yīng)晶體管 (GFET) 的示意圖。(f) 電導(dǎo) (G)相對于柵極電壓 (Vg) 曲線。(g) 載流子遷移率。
Figure 2. 用于ORR的石墨烯電極制備。(a) CVD 石墨烯薄膜的非對稱表面示意圖。(b)制備原始石墨烯。(c)制備G@GC。(d) N1s XPS光譜。(e) 線性掃描伏安法 (LSV) 極化曲線。 (f) 氮化0至60秒后石墨烯的LSV曲線。 (g) 原始G和 G@GC的LSV 曲線。(h) G@GC在氮化30和60 s前后的LSV曲線。
Figure 3. ORR活性與G@GC中化學(xué)成分的相關(guān)性。(a-c) 不同樣品在相應(yīng)條件下的LSV 曲線對比。(d-e) C1s 和 N 1s XPS 光譜。(f) 0.4 V下 ORR 活性與碳-氧和碳-氮的原子百分比的相關(guān)性。(g) K-L圖。(h) 電子轉(zhuǎn)移數(shù)。(i) K-L截距。
Figure 4. 空位缺陷、氧和氮摻雜劑在ORR中的具體作用。(a) LSV 曲線。(b) Ar-O-N和500-Ar-O-N的拉曼光譜。(c) 原子百分比。(d) ORR 活性與碳-氧原子百分比和碳-氮原子百分比的相關(guān)性。(e) K-L 圖。(f) K-L截距。
該研究工作由荷蘭萊頓大學(xué)Grégory F. Schneider課題組于2021年發(fā)表在ACS Catalysis期刊上。原文：Predoped Oxygenated Defects Activate Nitrogen-Doped Graphene for the Oxygen Reduction Reaction。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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