電催化反應在能源環境領域有著廣泛的應用，尤其是在新型可持續能源利用方面，如燃料電池、金屬－空氣電池以及電解水反應。由于電催化反應存在巨大的反應能壘，通常需要人們使用催化劑，來降低能壘從而減少能源消耗。目前，商用催化劑多為Pt、Ir、Ru等貴重金屬基催化劑，存在成本高，易中毒失活（Pt在甲醇燃料電池中），穩定性差（RuO2在產氧反應中）等不足。最近，澳大利亞格里菲斯大學（Griffith University）姚向東（Xiangdong Yao）教授團隊針對上述問題，基于該課題組提出的“缺陷催化機理”（J． Mater． Chem． A， 2015， 2， 11736），成功開發出一種新型“缺陷石墨烯”，該材料在產氫（HER）、氧還原（ORR）以及產氧（OER）等方面都展現出很高的電催化活性及穩定性。
論文共同第一作者是賈毅（Yi Jia）博士與博士生張龍舟（Longzhou Zhang）。本文通過將原始單層石墨烯，引入氮原子并高溫去除氮的方法制備了缺陷石墨烯（高溫去氮過程中導致部分碳原子重構）。圖1a是缺陷石墨烯的合成路徑，圖1b是缺陷石墨烯的高分辨電鏡照片，圖中可以看出缺陷主要分布在石墨烯層的邊緣。從圖1c－1e可以看出缺陷石墨烯的ORR，OER以及HER性能比原始石墨烯及摻氮石墨烯都有大幅提高。
圖1．（a）缺陷石墨烯合成路徑示意圖；（b）缺陷石墨烯的透射電鏡照片；（c－f）比較缺陷石墨烯，摻氮石墨烯，原始石墨烯以及商用鉑碳等不同催化劑，在堿性ORR，堿性OER，酸性HER以及堿性HER等多種電催化反應中的性能。
圖2．缺陷石墨烯中存在的不同類型缺陷與單一電化學反應的相關性研究。（a）D585類型碳缺陷；（b）D5類型碳缺陷；（c）D7557類型碳缺陷； （d）不同缺陷反應活性位處ORR反應路徑的能量圖；（e）不同缺陷反應活性位處OER反應路徑的能量圖和（f）不同缺陷反應活性位處HER反應路徑的能量圖．
根據電化學性能測試結果，認為缺陷可以改變石墨烯層中缺陷處碳原子的電子態密度，形成活性位點，不同類型的缺陷可以催化不同類型的電化學反應（ORR，OER或HER）。圖2通過基于密度泛函理論的模擬計算，作者發現不同缺陷類型處的碳原子催化不同的反應時，有著不同的反應能壘。因此認為特定缺陷處的碳原子相比原始石墨烯中的碳原子擁有更高的催化活性。
作者進一步使用缺陷石墨烯材料成功自制了一套鋅－空氣電池裝置（圖3a和b），組裝的鋅－空氣電池的容量經過近100個充放電循環后仍然沒有明顯衰減（圖3c），并且最大功率密度達到154 mW／mg （圖3d）。為了進一步滿足不同實際應用中的能量需求，通過不同的串／并聯配置，該裝置提供足夠的動力點亮LED二極管（圖3e）并驅動了模型汽車（圖3f），展現出該催化劑在新一代金屬－空氣電池應用中的良好前景。
圖3．（a）鋅－空氣電池測試裝置，插入圖為缺陷石墨烯空氣電極；（b）鋅－空氣電池充放電循環示意圖；（c）不同電流密度下充放電循環測試；（d）充放電極化曲線以及輸出功率密度隨電流密度的變化；（e）鋅－空氣電池點亮LED小燈；（f）鋅－空氣電池驅動汽車的DEMO裝置。
該論文對姚向東課題組提出的“缺陷催化機理”提供了有力支持并拓展到HER和OER，對未來非金屬催化劑的研究具有重要指導意義，同時缺陷石墨烯的優良催化性能具有廣闊的市場應用前景。這一成果近期發表在《Advanced Materials》上。
來源： 中國材料網
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