一種新穎的富吡啶氮摻雜缺陷石墨烯NDGs-800

一種新穎的富吡啶氮摻雜缺陷石墨烯NDGs-800

氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）是金屬-空氣電池的兩個重要反應(yīng)。開發(fā)低成本雙功能催化劑并確定活性位點(diǎn)仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。大量的研究表明非金屬雜元素（N、S、P等）摻雜碳材料是一種有效的雙功能催化劑，但目前有關(guān)該類型催化劑的活性中心仍存在爭議，其中一個主要原因是雜原子摻雜的同時也會產(chǎn)生一定的缺陷，理清活性中心（摻雜效應(yīng)、缺陷效應(yīng)或者摻雜與缺陷之間協(xié)同效應(yīng)）對于合成高性能ORR/OER催化劑非常迫切。此外，在較高過電位條件下，ORR/OER涉及到氣體的快速消耗與生成，設(shè)計(jì)分級介-大孔結(jié)構(gòu)無疑對催化反應(yīng)動力學(xué)起到積極作用。


【成果簡介】


為此，中南大學(xué)雷永鵬教授與和湖南大學(xué)王雙印教授、中科院王要兵教授及國防科大王應(yīng)德教授合作，以氧化石墨烯和g-C3N4納米片為原料，經(jīng)水熱自組裝和高溫?zé)崽幚碇苽淞烁呖兹荩?.43 cm-3 g-1）的氮摻雜石墨烯氣凝膠（NDGs-800）。該材料富吡啶氮、富缺陷，ORR性能超越商業(yè)Pt/C催化劑，同時也表現(xiàn)出較好的OER活性。組裝的鋅空氣電池具有超高的能量密度（872.3 Wh kg-1），連續(xù)循環(huán)充放電78 h，活性沒有明顯衰減，可媲美貴金屬Pt/C+Ir/C催化劑。蘇州大學(xué)李有勇教授團(tuán)隊(duì)的理論計(jì)算首次發(fā)現(xiàn)吡啶氮和空位缺陷的協(xié)同機(jī)制，相比其它構(gòu)型的碳，4個吡啶氮協(xié)同的空位毗鄰的碳催化活性最高，過電勢最低（ORR:0.28V；OER:0.28V）。該工作為設(shè)計(jì)高性能非金屬催化劑提供了借鑒。該研究成果已于近期發(fā)表在著名期刊ACS Energy Letters（Pyridinic-N-dominated Doped Defective Graphene as Superior Oxygen Electrocatalyst for Ultrahigh-Energy-Density Zn-Air Batteries, DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00303）


【圖文導(dǎo)讀】

一種新穎的富吡啶氮摻雜缺陷石墨烯NDGs-800

圖1 （a） NDGs樣品的合成示意圖； NDGs-800的 （b） SEM圖，（c） TEM圖，（d） HRTEM圖，（e） AFM圖，（f） 元素mapping圖，（g） BET圖

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圖2 （a） NDGs樣品的Raman譜圖； NDGs-800的 （b）高分辨C 1s譜圖；（c） 高分辨N 1s譜圖，（d） NDGs樣品中不同類型N含量

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圖3 NDGs和Pt/C的（a） ORR極化曲線；（b） 動力學(xué)電流密度和電子轉(zhuǎn)移數(shù)比較；（c） NDGs-800在不同轉(zhuǎn)速的極化曲線；（d） K-L曲線；NDGs, Pt/C和RuO2/C的（e） OER極化曲線；（f） 塔菲爾斜率

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圖4 （a）在石墨烯模型上假設(shè)的七種含吡啶-N的位點(diǎn)（1N，2N，3N-1，3N-2，4N，5N和6N）；（b）不考慮pH影響時，七種含吡啶-N的位點(diǎn)相應(yīng)的ORR和OER過電位與*OH的吸附能的關(guān)系，（c）含4N位點(diǎn)的ORR和OER計(jì)算吉布斯自由能圖，（d）4N位點(diǎn)上優(yōu)化的吸附ORR/OER中間介質(zhì)（*OOH，*O和*OH）；（e）分布在4N位點(diǎn)中最高占據(jù)分子軌道（HOMO）最低空間分子軌道（LUMO）

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圖5 （a） NDGs-800和Pt/C的放電曲線和對應(yīng)的功率密度曲線； （b） NDGs-800與已報(bào)道的雙功能催化劑性能比較；（c） NDGs-800和Pt/C + Ir/C的（c）充放電曲線；（d） 10 mA cm-2條件下的充放電循環(huán)穩(wěn)定性；（e） 點(diǎn)燈照片


【小結(jié)】


本文介紹了一種新穎的富吡啶氮摻雜缺陷石墨烯，用于高效的氧電極電催化。 理論計(jì)算表明4個吡啶氮協(xié)同空位相鄰的碳具有最高的催化活性，過電勢最低（ORR:0.28V；OER:0.28V）。組裝的鋅空氣電池最大功率密度為115.2 mW cm-2，能量密度高達(dá)872.3 Wh kg-1。同時，應(yīng)用到可充式鋅-空氣電池，有較小的充放電過電勢和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（超過78小時）。這項(xiàng)工作不僅提供一種廉價(jià)、高效的電催化劑，而且首次揭示了4個吡啶氮協(xié)同空位相鄰的碳與ORR/OER活性的關(guān)系，為設(shè)計(jì)高性能非金屬催化劑提供了借鑒。

本文出自東莞市捷誠石墨制品有限公司官網(wǎng)：http://m.njkefeiya.com 權(quán)威發(fā)布，    東莞市捷誠石墨制品有限公司是一家集銷售、應(yīng)用開發(fā)，產(chǎn)品加工的石墨專業(yè)廠家，專門為模具行業(yè)、機(jī)械行業(yè)、真空熱處理爐、電子半導(dǎo)體及太陽能光伏產(chǎn)業(yè)等提供石墨材料、石墨電極和相關(guān)的石墨制品，歡迎致電13549365158更多關(guān)于石墨制品方面信息，可回本網(wǎng)站產(chǎn)品頁面詳細(xì)了解點(diǎn)擊：石墨制品  石墨模具  石墨坩堝 石墨轉(zhuǎn)子 石墨軸承 石墨板 石墨棒 石墨匣體 石墨熱場 真空爐石墨制品 電子石墨模具