Adv. Mater.：缺陷石墨烯的制備及其作為功能性電化學反應催化劑的性能

Jane915126 7年前 (2016-10-01) 9983瀏覽

【引言】

對于低成本、環境友好、高效耐用且光譜范圍廣的電催化劑的進一步研究是發展可再生能源轉換和存儲的重點，該電催化劑要求有三個關鍵的電化學反應、產氫反應、氧還原反應和產氧反應。自從發現金屬自由氮摻雜碳納米管在氧還原反應中有很好催化性能后，開展了很多工作并且已經擴展到其他很多雜原子摻雜，近年來報道的圍繞雜原子摻雜的催化機理有爭論，都未能很好的解釋。

【成果簡介】

澳大利亞格里菲斯大學姚向東教授（通訊作者）調查了氮摻雜系統的催化活性和碳化富含氮多孔有機框架材料氧還原中的氮含量之間的關系，發現氮（0.21-2.11 at%）含量越低，氧還原活性越高。隨后研究者碳化包含鋅金屬有機框架材料移除所有的鋅，發現沒有任何活性摻雜元素，這與雜原子摻雜機理的要求相對。最近，研究者從氮摻雜前驅體中通過溫和地表面氮移除過程獲得含有碳缺陷的二維石墨烯材料，通過理論計算和實驗證實了缺陷石墨烯材料有三功能性。實驗中，XPS證實熱處理后的缺陷石墨烯材料中不存在氮原子，拉曼分析和TEM證實缺陷石墨烯材料孔洞的形成形成來源于氮移除，AFM更突出了摻雜氮院子的移除會導致石墨烯結構的局部破壞。實驗經過一系列實驗測試，證實了缺陷石墨烯材料的功能性不僅針對氧還原，還包括氧釋放和氫釋放。研究者根據實驗得到缺陷石墨烯的三種基本電化學反應活性都高于氮摻雜石墨烯的結論。

這項成果是關于三功能性的金屬自由催化劑基于缺陷機制是首次報告和確認。通過演示作為鋅空氣電池的催化劑，表明了缺陷石墨烯具有可以與鉑相媲美的穩定充放電壓，高電流和功率密度，同時有很多潛在應用，很有可能成為下一代電催化的催化劑。

【圖文導讀】

圖一、缺陷石墨烯形成的原理圖；原始石墨烯，氮摻雜石墨烯，缺陷石墨烯的XPS和拉曼；DG的TEM、HADDF、AFM圖分析

[注]Graphene：原始石墨烯；NG：氮摻雜石墨烯；DG：缺陷石墨烯。

a)缺陷石墨烯形成的原理圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??b) 原始石墨烯，NG，DG的XPS圖

c) NG和DG的N1峰的高分辨率光譜 ? ? ? ? ? ?d) 原始石墨烯、NG、DG的拉曼圖譜

e) DG在加速電壓為120 kV下的透射電子顯微鏡(TEM)圖像

f) DG載加速電壓80 kV下的 HAADF圖像。由五邊形、六邊形、七邊形、八角形拼成，分別標記為橙色、綠色、藍色、紅色

g) DG的原子力顯微鏡圖像

原理圖中可以看到碳原子重組后出現了各樣的缺陷，包括五角形、七角形、八角形。XPS圖中可以看到N1s峰在NG形成DG過程中成為缺陷，高分辨率分析三個主要峰對應于吡啶，嘰咯，石墨氮。拉曼顯示了DG和NG楊品的D帶和G帶有明顯不同的強度。在DG材料表面明顯可以看到孔洞的缺陷且是由于氮移除而產生的，HAADF更加清晰地看出缺陷的不同組成，并不是單一的，而是具有不同結構的缺陷，AFM突出了摻雜氮原子的移除導致了石墨烯結構的局部破壞。

圖二、線性掃描伏安曲線

由四個反應可以得到結論，DG材料的功能性不僅僅表現在氧還原反應中，而且還包括氧產生和氫產生反應中，DG材料的活性相比于NG在三個基本的電化學反應中都有顯著的提高。