第一作者：Ning Li, Mengyang Li

通訊作者：盧興，郭昆，侯高壘

通訊單位：華中科技大學(xué)，西安交通大學(xué)

盧興，男，華中科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師；兼任日本筑波大學(xué)生命學(xué)際領(lǐng)域研究中心共同研究員。美國科學(xué)促進(jìn)會(huì), 美國化學(xué)會(huì), 美國電化學(xué)會(huì), 英國皇家化學(xué)會(huì), 日本化學(xué)會(huì), 日本富勒烯-碳納米管研究會(huì)等多個(gè)國際學(xué)術(shù)組織的正式會(huì)員。?2009.11 第十二屆“中華人民共和國駐日本大使獎(jiǎng)”，中國留日同學(xué)總會(huì)主辦。2011.03 第七屆“大澤賞”，日本富勒烯-碳納米管研究學(xué)會(huì)。2019年8月2日，入選2019年度國家杰出青年科學(xué)基金建議資助項(xiàng)目申請(qǐng)人名單 。

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摻雜–去摻雜化學(xué)為將雜原子摻雜劑轉(zhuǎn)化為本征缺陷奠定了基礎(chǔ)，但缺陷含量仍然受到摻雜效率不足的阻礙。因此，理解原始碳摻雜背后的關(guān)鍵因素及其與去摻雜碳的催化性能的相關(guān)性具有重要意義。

本文深入探討了摻雜劑在碳催化劑中的缺陷工程中的作用，尤其是本征缺陷對(duì)摻雜過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與邊緣相比，原始碳材料中的五邊形更容易成為氮摻雜位點(diǎn)，這導(dǎo)致?lián)诫s水平顯著提高。

此外，實(shí)驗(yàn)和理論證據(jù)致表明，通過去除氮摻雜劑，尤其是從五邊形石墨氮(Gra-N)中去除，可以生成具有更高氧還原反應(yīng)(ORR)活性的新五邊形-七邊形-五邊形結(jié)構(gòu)的活性位點(diǎn)。優(yōu)化后的富含缺陷的碳材料展現(xiàn)出優(yōu)異的半波電位(0.834 V)、卓越的長(zhǎng)期耐久性，并在Zn-空氣電池中有潛在的應(yīng)用前景。

圖文導(dǎo)讀

圖1：不同數(shù)量五邊形的石墨烯納米片的幾何構(gòu)型，以及氮原子在邊緣內(nèi)六邊形、近邊緣內(nèi)六邊形、遠(yuǎn)離邊緣內(nèi)六邊形和五邊形內(nèi)的摻雜位點(diǎn)。

圖2：不同結(jié)構(gòu)特征的前體開始的摻雜和去摻雜碳的合成策略示意圖，以及掃描和透射電鏡圖像。

圖3：制備碳材料的物理表征，包括XRD圖譜。

圖4：研究碳催化劑和20 wt%Pt/C的電化學(xué)性能測(cè)試，包括LSV曲線、半波電位、Tafel斜率、不同轉(zhuǎn)速下的ORR極化曲線。

圖5：通過去除不同位點(diǎn)的氮摻雜劑形成五邊形的途徑，優(yōu)化后的原子模型用于DFT計(jì)算，以及堿性條件下四電子ORR的自由能圖和理論極限電位。

總結(jié)展望

本研究揭示了原始碳材料中的本征缺陷在摻雜劑介導(dǎo)的缺陷工程中的關(guān)鍵作用，特別是五邊形對(duì)氮摻雜可行性的促進(jìn)作用。通過控制摻雜劑的配置，研究進(jìn)一步表明，去除氮摻雜劑后可以產(chǎn)生更多的活性五邊形缺陷結(jié)構(gòu)，從而顯著提高碳材料的氧還原反應(yīng)活性。

優(yōu)化后的缺陷豐富的碳材料展現(xiàn)出與商業(yè)Pt/C相媲美甚至更優(yōu)的ORR活性、選擇性和穩(wěn)定性，為實(shí)際應(yīng)用提供了廣闊前景。本工作為設(shè)計(jì)和制備高性能的碳基無金屬電催化劑提供了寶貴的見解，并強(qiáng)調(diào)了本征缺陷在材料設(shè)計(jì)中的重要性。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Deciphering the Role of Native Defects in Dopant-Mediated Defect Engineering of Carbon Electrocatalysts

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202401008