無金屬碳材料已成為兩電子氧還原反應(yīng)（ORR）制備過氧化氫（H
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2）的高性能、高性價(jià)比催化劑。在這里，展示了具有可控氧和缺陷構(gòu)型的3D皺縮石墨烯，顯著改善了 H
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2 的電催化生產(chǎn)。具有最佳缺陷結(jié)構(gòu)和氧官能團(tuán)的皺縮石墨烯電催化劑在0.05~0.7 V（與可逆氫電極相比）的寬電位范圍內(nèi)表現(xiàn)出92~100%的H2O2選擇性，在堿性介質(zhì)中0.65 V時(shí)，獲得了158 A g-1的高質(zhì)量活性。此外，皺縮的石墨烯催化劑在0.4 V（vs.RHE）下表現(xiàn)出較高的473.9 mmol gcat-1 h-1的H2O2生成速率和46 h以上的穩(wěn)定性。此外，利用密度泛函理論（DFT）計(jì)算，通過OOH和O吸附強(qiáng)度之間的標(biāo)度關(guān)系揭示了官能團(tuán)和缺陷位在雙電子ORR途徑中的作用。這項(xiàng)研究建立了高效合成H2O2的功能化碳催化劑的結(jié)構(gòu)-機(jī)理-性能關(guān)系。
Figure 1. （a）掃描電子顯微鏡（SEM，插圖：顆粒的尺寸分布），（b）透射電子顯微鏡（TEM）和（c）具有OCG-800 d-間距分布的高分辨率TEM（HRTEM）。 (d) 拉曼光譜、(e) X 射線光電子能譜 (XPS) 、高分辨率 (f) C1s、（g）O1s XPS光譜，以及（h）在250至1000℃的不同還原溫度下合成的OCG顆粒氧的原子百分比。 (i) 比較各種 OCG 催化劑的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的雷達(dá)圖。
Figure 2. (a) 在 O
2 飽和的 0.1 M KOH 中 ，OCG 催化劑在 1600 rpm 和 10 mV s-1 速率下的 ORR 性能比較，實(shí)線代表圓盤電極的 ORR 電流密度，虛線代表在環(huán)形電極檢測(cè)到的 H
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2 電流密度。 (b) 計(jì)算的 OCG 催化劑的 H
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2 選擇性，(c) 比較先前報(bào)道的催化劑的選擇性和電位窗口，以及 (d) 計(jì)算的 OCG 催化劑的電子轉(zhuǎn)移數(shù)。 (e) OCG 催化劑的計(jì)算 Tafel 圖。 (f) OCG-800 在 0.65 V 與 RHE 在 O
2 飽和的 0.1 M KOH 中的計(jì)時(shí)電流穩(wěn)定性測(cè)試。
Figure 3. (a) 在堿性介質(zhì)中，OCG800 和之前報(bào)道的催化劑在 0.65 V RHE 條件下的質(zhì)量活性比較，由催化劑的總質(zhì)量歸一化。 (b) OCG-250、OCG-500、OCG-800 和 OCG-1000 催化劑在不同反應(yīng)時(shí)間前后的 H
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2 產(chǎn)率，在 H 電池中采用 0.4 V vs. RHE 電解。 (c) OCG-800 在 0.4 V RHE 下通過計(jì)時(shí)電流測(cè)試連續(xù)運(yùn)行后的穩(wěn)定性。
Figure 4. 不同氧官能團(tuán)的ORR活性和選擇性的DFT結(jié)果。 （ a ）本研究中的不同氧官能團(tuán)的模型系統(tǒng)。黑色和紅色圓圈分別表示 C-O-C 型和其他官能團(tuán)的活性位點(diǎn)。灰色、紅色和白色球分別表示 C、O 和 H 原子。 (b) 不同氧官能團(tuán)的 DGOOH* 和 DGH
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2*–DGO* 之間的比例關(guān)系。顏色條表示作為 DGOOH* 函數(shù)的過電位。封閉和開放的圓圈分別代表基礎(chǔ)和邊緣模型系統(tǒng)?；疑摼€表示 O
2/H
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2 反應(yīng)的最佳 DGOOH*。 （ c ）藍(lán)色圓圈顯示改編自參考文獻(xiàn)的 PtHg
4 的結(jié)果。計(jì)算 OOH* 和 O* 在 C-O-C 基底上的電荷密度差。（等值面水平：0.03 e Å
-3）。
相關(guān)研究工作由佐治亞理工學(xué)院Seung Woo Lee，Marta C. Hatzell和韓國(guó)能源研究院Joonhee Kang課題組于2022年在線發(fā)表于《Energy & Environmental Science》 期刊上，原文：Structure-controlled graphene electrocatalysts for high-performance H
2O
2 production。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
