鉑廣泛用于燃料電池的陰極催化劑；然而，它的成本很高，而且儲(chǔ)量有限。因此，對(duì)非Pt催化劑的開發(fā)進(jìn)行了廣泛的研究。碳合金催化劑被認(rèn)為是Pt基催化劑的最有效的替代品。然而，作為碳合金催化劑的主要成分的碳在氧還原反應(yīng)（ORR）中的催化活性研究不足。在這種情況下，我們通過(guò)研究有助于WGL（一種無(wú)金屬和無(wú)雜原子的碳材料）ORR活性的因素，證明了翹曲石墨層（WGL）是ORR活性位點(diǎn)。WGL由富勒烯提取殘留物制備，在1250°C下熱處理后，它們表現(xiàn)出0.79V的最大ORR活性和3.7的參與反應(yīng)的電子數(shù)（n）。WGL HTs的ORR活性由WGL的曲率半徑及其連續(xù)性決定。曲率半徑影響氧氣的吸附狀態(tài)，如從氧氣吸附測(cè)量中獲得的平衡常數(shù)所示。通過(guò)功函數(shù)測(cè)量確定，石墨層的連續(xù)性也促進(jìn)了電子向吸附氧的傳輸。WGL HTs的ORR活性位點(diǎn)充當(dāng)氧吸附位點(diǎn)，π-電子系統(tǒng)將電子轉(zhuǎn)移到吸附的氧上。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了具有連續(xù)WGL的碳材料作為碳基陰極催化劑在開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)高效的聚合物電解質(zhì)燃料電池系統(tǒng)方面的潛力。
圖1. 富勒烯煙灰的結(jié)構(gòu)。
圖2. WGL-HTs催化性能的變化取決于熱處理溫度（HTT）。通過(guò)（a）幾何電極和（b）BET表面積歸一化的比ORR活性的ORR伏安圖。（c） 起始電位（E
O2）-HTT依賴性。（d） 反應(yīng)中涉及的電子數(shù)量（n）（在0.1V下與可逆氫電極相比）–HTT依賴性。（c）和（d）中的虛線表示W(wǎng)GL-O的相應(yīng)值。
圖3. 通過(guò)（a）TEM圖像計(jì)算WGL HTs的曲率半徑和溫度依賴性（通過(guò)MIPAR提取的海岸線由紅線表示）。（b） 曲率半徑-HTT相關(guān)性。虛線表示W(wǎng)GL-O的曲率半徑。（c） E
O2–曲率半徑相關(guān)性。
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圖4. 使用從（a）拉曼光譜獲得的I
D/I
G值評(píng)估WGL HTs的石墨層尺寸。（b） I
D/I
G值的熱處理相關(guān)性。（c） L
a與I
D/I
G的關(guān)系。（d） 通過(guò)程序升溫脫附（TPD）測(cè)量評(píng)估石墨層尺寸（L）。（b）和（d）中的虛線表示W(wǎng)GL-O的值。
圖5. 通過(guò)（a）C1s光譜、（b）π–π*振蕩衛(wèi)星峰和（C）紅外光譜表征WGL HTs的石墨層尺寸。曲線圖顯示（d）A
π–π*/A
Total與HTT的關(guān)系，（e）IR參數(shù)A與HTT關(guān)系，以及（f）功函數(shù)與HTT之間的關(guān)系。（b–d）中的虛線表示W(wǎng)GL-O的值。
圖6. WGL HTs的氧吸附性能評(píng)估：（a）氧吸附等溫線，（b）飽和吸附量（V
max）與HTT的關(guān)系，以及（c）吸附平衡常數(shù)（K）與HTT的關(guān)系。（b）和（d）中的虛線表示W(wǎng)GL-O的值。
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圖7.（a）WGL-O、（b）連續(xù)WGL和（c）WGL的平面結(jié)構(gòu)的模型圖。
相關(guān)研究成果由群馬大學(xué)Jun-ichi Ozaki等人2023年發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry C (鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c06030)上。原文：Construction of Warped Graphitic Layers from Fullerene Soot and Study of Their Catalytic Oxygen Reduction Activity
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
