无金属纳米碳在氧电催化的拓扑缺陷

近期，清华大学魏飞教授课题组在Adv.Mater.上报道了一种新的杂原子掺杂和富含边缘的石墨烯材料（氮掺杂石墨烯mesh，以下称为NGM）。使用该材料作为一个模型系统来研究电催化的起源在用于ORR和OER的纳米碳催化剂中的活性。通过黏米直接碳化获得NGM碳前体，三聚氰胺作为氮源，和Mg(OH)2作为模板。该材料在ORR和OER表现出显着的性能，它可以被评为所报道的最好无金属双功能碳催化剂的一种。氮掺杂效应和边缘缺陷的影响已经探索，采用模拟以阐明这种卓越表现的机理，结果揭示了边缘的关键重要性和无金属纳米碳活性起源的拓扑缺陷氧电催化材料。无氮与相邻五边形和七边形碳的组合展现出最低的超电势，相应的ORR为0.14 V ，OER 为0.21 V。

背景介绍

现代生活和社会比以往更依赖能源。然而，目前面对基于化石燃料的能源系统的有限资源和巨大的挑战特别是导致气候的相关二氧化碳排放变化和环境破坏。因此，新的和可持续的能源是必要的，需要开发有效的能量存储技术。在几个能源替代品中，再生燃料电池和可充电金属电池给人们带来了巨大的希望。

参考文献：Cheng Tang ，Topological Defects in Metal-Free Nanocarbon for OxygenElectrocatalysis，Adv. Mater. 2016, 28, 6845–6851.

图文阅读

图1. NGM材料（用于双功能氧电催化）的合成及请毛表征.(a)制备NGM材料过程示意图，i）用模板，碳源和氮源原位制备的三元浆料。ii）950℃下喷涂NGM材料至MgO模板iii）除去MgO模板和纯化后获得的NGM( b）多孔的SEM照片 (c）互连的NGM纳米板 (d）高分辨率多孔石墨烯片TEM图 (e）石墨烯的TEM照片，相应的 (f）N 及（g）C能量过滤TEM图片 h）NGM的典型氮和碳K边缘EELS光谱。

图2.NGM材料的结构表征及性能, (a）NGM和GM的氮气吸附等温线，插图说明了孔尺寸分布;(b）NGM和GM拉曼谱图; (c）NGM的高分辨率N 1s XPS谱。

图3.NGM材料的ORR性能.(a）在O₂或N₂饱和的0.10M KOH或0.10M HClO₄溶液中获得的NGM的LSV曲线。O₂或N₂饱和测试的电流密度之间的差被分配给真实的ORR电流（固定曲线）通过这种校正获得所有的ORR的LSV曲线 (b）在RRDE上记录的磁盘电流密度（下）和环电流密度（上）。(c）在RRDE测量中的来自LSV曲线的电子转移数（n）(d）NGM在O₂饱和的0.10 M KOH中加入KSCN的计时电抗反应（得到10×10^-3 M KSCN的电解液）( e）Pt/C和NGM Arrhenius图，显示出了交换电流密度j₀与1/T的对数，插图呈现出计算的ORR表观活化能，(f）对于NGM，GM和Pt / C，在0.60V的恒定电势对RHE的ORR计时电抗反应。所有测试，旋转速率为1600rpm，扫描速率为10mVs ^-1。所有电极都制备有相同的质量负载≈0.25mgcm^-2。