金屬-空氣電池的進(jìn)步很大程度上依賴于氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）的高效雙功能催化劑的開發(fā)。在此，利用密度泛函理論計(jì)算研究了Co@N
4摻雜碳納米管（Co@N
4CNTs）作為雙功能催化劑的潛在應(yīng)用。我們通過分析能量、鍵長(zhǎng)、進(jìn)行從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬以及檢查態(tài)密度來探索 Co@N
4CNT 的穩(wěn)定性和電子特性。值得注意的是，納米管的直徑對(duì)Co@N4CNT的催化性能有顯著影響。當(dāng)從 (4, 4) 過渡到 (24, 4) Co@N4CNT 時(shí)，催化活性顯著提高 54%，且
ηBi 從 1.40 V 變?yōu)?0.64 V。有幾種具有低過電勢(shì)的特殊催化劑，包括 (18, 4) )、(22, 4) 和 (24, 4) Co@N
4CNT，其
ηBi 值分別為 0.68、0.67 和 0.64 V。此外，將Co@N
4CNTs活性的增加與Co原子部分d軌道能量的變化聯(lián)系起來，這是通過Co@N
4CNTs直徑的調(diào)整來促進(jìn)的。這一發(fā)現(xiàn)為通過改變軌道能級(jí)來驅(qū)動(dòng)催化活性增強(qiáng)的潛在因素提供了寶貴的見解。該研究發(fā)現(xiàn)了幾種優(yōu)秀的催化劑，并為金屬-空氣電池高效催化劑的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了寶貴的見解。
Fig 1. 14×4 石墨烯的側(cè)視圖和俯視圖 (a)。碳納米管的頂視圖 (b) 和側(cè)視圖 (c)。 Co@N
4 摻雜的 14×4 石墨烯的側(cè)視圖和俯視圖 (d)。 Co@N
4CNT 的頂視圖 (e) 和側(cè)視圖 (f)。
Fig 2. CNTs (a) 和 Co@N
4CNTs (b) 的應(yīng)變能隨著 m 的增加而變化。 CNT 中的 C-C 平均鍵長(zhǎng)（c）和 Co@N
4CNTs 中的 Co-O 平均鍵長(zhǎng)（d）隨著 m 的增加而變化。
Fig 3. 不同直徑Co@N
4CNT的態(tài)密度（DOS）和部分態(tài)密度。費(fèi)米能級(jí)設(shè)置為零。
Fig 4. 不同直徑Co@N
4CNTs上ORR/OER催化反應(yīng)吉布斯自由能的變化。施加電壓 U = 0 V。
Fig 5. 不同直徑Co@N4CNTs上的ηBi過電勢(shì)(a)。 ΔG
*O 作為 ΔG
*OH 的函數(shù) (b)。 EOH 是 Co@N
4CNT 中 Co 原子 d 能帶中心之間的線性關(guān)系 (c)。 ΔG
*OH 是 Co@N
4CNTs (d) m 的函數(shù)。
ηBi 是 Co@N
4CNTs 的 m 的函數(shù) (e)。
Fig 6. 不同催化中間體和催化劑表面的電荷密度差異(a)。與催化中間體結(jié)合的 Co 原子 d 電子亞軌道的分子軌道示意圖 (b)。不同管徑中催化劑與 OH 結(jié)合的 COHP (c)。
Fig 7. O
2 和 H 的吸附 (a)。不同直徑的Co@N
4CNTs上HER催化反應(yīng)的吉布斯自由能變化(b)。
相關(guān)研究工作由香港城市大學(xué)Jun Fan 課題組用于2023年在線發(fā)表在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊上，Curvature effects regulate the catalytic activity of Co@N
4-doped carbon nanotubes as bifunctional ORR/OER catalysts。原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.10.115
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
