缺陷工程和化学掺杂对于无金属碳电催化剂用于氧还原反应(ORR)有着重要的作用。碳电极中缺陷和掺杂剂的精确控制和设计，有利于机制理解活性-结构关系，这对于定制碳基材料，尤其是石墨烯基电极材料的催化性能尤为重要。这里，采用单层石墨烯-一种模型碳基电极-用于系统地引入氮和氧掺杂剂以及空位缺陷，并研究其在催化ORR中的作用。与原始石墨烯相比，氮掺杂对ORR活性的影响有限。相比之下，空位缺陷或氧预掺杂的氮掺杂石墨烯，在0.4 V (vs. RHE)时其活性分别增加了1.2倍和2.0倍。含氧缺陷功能化的氮掺杂石墨烯表现出最优的ORR活性，分别是氮掺杂石墨烯和原始石墨烯12.8倍和7.7 倍。更重要的是，含氧缺陷与4e-路径高度相关。这项工作表明氧的重要贡献，尤其是含氧空位缺陷可以大幅度提高氮掺杂石墨烯的催化活性。
 
  
Figure 1. 单层石墨烯中的N掺杂。(a) 拉曼光谱。(b) 强度比 I(2D)/I(G) 作为氮化时间 (tN) 的函数。(c) 强度比I(D)/I(G)（黑色）和 I(D)/I(D')（蓝色）相对于 tN的演变过程。(d) D波段的拉曼映射。(e) 液体门控石墨烯场效应晶体管 (GFET) 的示意图。(f) 电导 (G)相对于栅极电压 (Vg) 曲线。(g) 载流子迁移率。
 
  
Figure 2. 用于ORR的石墨烯电极制备。(a) CVD 石墨烯薄膜的非对称表面示意图。(b)制备原始石墨烯。(c)制备G@GC。(d) N1s XPS光谱。(e) 线性扫描伏安法 (LSV) 极化曲线。 (f) 氮化0至60秒后石墨烯的LSV曲线。 (g) 原始G和 G@GC的LSV 曲线。(h) G@GC在氮化30和60 s前后的LSV曲线。
 
  
Figure 3. ORR活性与G@GC中化学成分的相关性。(a-c) 不同样品在相应条件下的LSV 曲线对比。(d-e) C1s 和 N 1s XPS 光谱。(f) 0.4 V下 ORR 活性与碳-氧和碳-氮的原子百分比的相关性。(g) K-L图。(h) 电子转移数。(i) K-L截距。
 
  Figure 4. 空位缺陷、氧和氮掺杂剂在ORR中的具体作用。(a) LSV 曲线。(b) Ar-O-N和500-Ar-O-N的拉曼光谱。(c) 原子百分比。(d) ORR 活性与碳-氧原子百分比和碳-氮原子百分比的相关性。(e) K-L 图。(f) K-L截距。
  
       该研究工作由荷兰莱顿大学Grégory F. Schneider课题组于2021年发表在ACS Catalysis期刊上。原文：Predoped Oxygenated Defects Activate Nitrogen-Doped Graphene for the Oxygen Reduction Reaction。
 
转自《石墨烯研究》公众号