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無金屬碳基材料被認(rèn)為是綠色合成過氧化氫（H₂O₂）中最有前途的雙-電子氧還原反應(yīng)（2e^– ORR）電催化劑之一，但大多數(shù)報(bào)道的碳電催化劑在堿中比在酸中表現(xiàn)得更有效。

基于此，華中科技大學(xué)盧興教授、郭昆教授、沈王強(qiáng)博士和張建副研究員等人首次報(bào)道了以富勒烯（C₆₀）為前驅(qū)體，經(jīng)氨處理，合成了一種富五邊形缺陷氮摻雜碳納米材料（PD/N-C）。

測試發(fā)現(xiàn)，基于PD/N-C催化劑的流動(dòng)電池實(shí)現(xiàn)了接近100%的法拉第效率（FE），H₂O₂產(chǎn)率顯著提高，是所有無金屬催化劑中性能最好的。

通過DFT計(jì)算，作者揭示了碳催化劑中五邊形缺陷優(yōu)越性背后的機(jī)理?？紤]到活性位點(diǎn)與五角形缺陷和N摻雜劑高度相關(guān)，原子模型基于五角形的位置（鋸齒形和椅形邊緣、角/外邊緣和內(nèi)位置）、N摻雜劑的類型（Py-N、Pr-N和Gr-N）及其組合（與N摻雜劑相鄰的五角形）建立。

最優(yōu)的無反應(yīng)能既不在N摻雜位點(diǎn)附近，也不在五邊形缺陷周圍，而是在五邊形和Gr-N摻雜劑的交界處（Z6模型），自由能值為3.50 eV，接近于理想值3.52 eV，說明五邊形和Gr-N摻雜劑具有協(xié)同促進(jìn)作用。

作者還構(gòu)建了極限電位（U_L）與*OOH吸附能（ΔG_*OOH）之間的活火山圖，發(fā)現(xiàn)Z6位點(diǎn)幾乎位于火山的頂部，代表了向2e^– ORR方向最活躍的位點(diǎn)。

值得注意的是，Gr-N摻雜的五邊形缺陷（Z6）在碳原子和*OOH中間體之間具有明顯的電荷分離，表明C-*OOH鍵的強(qiáng)度相對(duì)較低，有利于2e^– ORR生成H₂O₂。

DFT計(jì)算表明，將五邊形缺陷與Gr-N摻雜相耦合，可極大地調(diào)節(jié)碳基體的電子性質(zhì)，優(yōu)化*OOH在催化劑表面的吸附能力，保證高的ORR活性和對(duì)H₂O₂合成的選擇性。

A Pentagonal Defect-Rich Metal-Free Carbon Electrocatalyst for Boosting Acidic O₂ Reduction to H₂O₂ Production. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c00689.

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/06/c2add7bd92/

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