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AM: 面向二電子氧還原反應(yīng)的N-B-OH位點功能化石墨烯量子點定向構(gòu)建
納米人 納米人 2023-02-23

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第一作者:范孟孟,王澤銘
通訊作者:王亮,蔣劍春,鄔靜杰,范孟孟
通訊單位:南京林業(yè)大學(xué),上海大學(xué)

研究內(nèi)容:

雜元素?fù)诫s或官能化是碳材料常用的電催化位點調(diào)控方法,特別是用于電催化氧還原反應(yīng)(ORR),以(4e-路徑)H2O或(2e-路徑)H2O2作為產(chǎn)物。由于電催化氧還原反應(yīng)中,4e-和2e-路徑的強競爭關(guān)系,因此,要實現(xiàn)碳材料的電催化應(yīng)用,需要進(jìn)一步尋找高催化活性位點結(jié)構(gòu)篩選及定向構(gòu)建方法。


南京林業(yè)大學(xué)蔣劍春院士團(tuán)隊與上海大學(xué)王亮教授、美國辛辛那提大學(xué)鄔靜杰教授課題組通過DFT理論模擬篩具有2e-路徑高選擇性的N、B活性位點構(gòu)型,以石墨烯量子點(GQDs)為碳材料模型,定向構(gòu)建N-B-OH位點(NBO-GQDs),功能化后的GQDs表現(xiàn)出高性能的2e- ORR性能,促進(jìn)H2O2的合成。


在堿性電解液下,H2O2的選擇性高于90%;在12h的測試后,催化性能保持在90%以上;在流動池中,催化劑的質(zhì)量活性709 mmol gcatalyst-1 h-1。NBO-GQDs綜合催化性能高于目標(biāo)報道的大部分碳基電催化劑。DFT模擬揭示催化機(jī)理:N原子與-OH協(xié)同調(diào)控B原子位點,有助于弱化活性位點對反應(yīng)中間體(OOH*)的吸附,導(dǎo)致高選擇性的2e-路徑。


本研究為高效碳基催化劑的設(shè)計和制備提供了分子水平的調(diào)控方法。


本文亮點:

(1)通過系統(tǒng)的DFT模擬,篩選出具有2e- ORR高催化活性的N-B-OH結(jié)構(gòu);
(2)借助于石墨烯量子點強大的邊緣修飾特性,通過簡單水熱過程合成豐富的邊緣N-B-OH位點;
(3)環(huán)盤電極和流動池測表明NBO-GQDs對2e- ORR具有高催化選擇性及活性,且高于目前文獻(xiàn)報道的大部分非金屬碳基底催化劑的性能;
(4)本研究為高效碳基催化劑的設(shè)計和制備提供了分子水平的調(diào)控方法及研究策略。

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圖1. N-B-OH位點活化GQDs高效催化2e-路徑制備H2O2

參考文獻(xiàn):
Mengmeng Fan, Zeming Wang. et al. N-B-OH site-activated graphene quantum dots for boosting electrochemical hydrogen peroxide production, Advanced Materials, 2023,
DOI:org/10.1002/adma.202209086.

論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209086

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