電催化劑在氧還原反應(yīng)中的性能對于燃料電池和金屬-空氣電池等清潔能源技術(shù)至關(guān)重要。開發(fā)高活性和低成本的氧還原催化劑仍然是一個重大的挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)工作中，通過微波等離子體技術(shù)合成了具有高ORR催化性能的銀負(fù)載氮摻雜石墨烯片( Ag-NGs )納米復(fù)合材料。XPS分析表明，銀納米顆粒優(yōu)先吸附在石墨-氮位點(diǎn)結(jié)構(gòu)上，從而提高了ORR催化活性，這一結(jié)論被第一性原理計(jì)算證實(shí)。并且在具有吡啶結(jié)構(gòu)的石墨烯中摻入高水平的氮摻雜也有助于ORR催化劑性能的提高。此外，Ag-NGs納米復(fù)合材料不僅對氧還原反應(yīng)的四電子途徑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，而且具有顯著的穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了Ag負(fù)載的氮摻雜石墨烯納米復(fù)合材料作為一種有前途的電催化劑在清潔能源材料中的應(yīng)用潛力。
圖1. Ag-NGs納米復(fù)合材料的生長機(jī)理示意圖。
圖2. Ag - NGs的形貌、微觀結(jié)構(gòu)、元素組成。(a,b,c)Ag-NGs的SEM圖像;(d)低倍率的TEM圖像，插圖是銀納米顆粒的尺寸分布;(e)高倍率的TEM圖像;(f)Ag - NGs復(fù)合物的EELS光譜;(g-j)0.1 M Ag-NGs的EDS映射圖像。
圖3. Ag - NGs納米復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)、組分和價鍵表征。(a)XRD模式;(b)拉曼光譜;(c)XPS光譜;(d)高分辨率Ag3d圖譜;(e)高分辨率C1s圖譜;(f)高分辨率N1s圖譜。
圖4. (a)NGs和(b)Ag - NGs 在O
2和Ar飽和的0.1 M KOH溶液中的CV圖像; (c)NGs、Ag - NGs和Pt / C的起始電位和峰電位的直方圖; (d)NGs和(e)Ag - NGs在O2飽和的0.1 M KOH水溶液(掃描速率: 10 mV s
-1)中，以不同轉(zhuǎn)速( 250 - 3000轉(zhuǎn)/分)記錄ORR的線性掃描伏安曲線(LSVs)，插圖是背景校正后NGs和Ag - NGs的相應(yīng)K-L圖;(f)不同Ag濃度下Ag - NGs復(fù)合物的E
onset、E
peak和n。
圖5. 兩種幾何結(jié)構(gòu)模型Ag-石墨N和Ag-吡啶N的DFT計(jì)算。吸附不同ORR中間體的優(yōu)化模型(a) Ag-NGs (石墨氮)，(c) Ag-NGs (吡啶氮); (b)評價了相對于RHE的Ag-石墨N的總ORR自由能，橙線和藍(lán)線分別代表U = 0和0.8 V;U是指ORR過程中施加的電位，0.9 V相對于RHE的值常用來評估ORR電催化劑的活性;(d)Ag-pyridine N的總ORR的自由能。
圖6. Ag-NGs (0.1 M Ag)和NGs材料的ORR性能、耐久性和抗甲醇中毒能力。(a)不同電位下的電子轉(zhuǎn)移數(shù)n;(b)H
2O
2產(chǎn)率與電位的關(guān)系;(c)Tafel圖;(d)EIS圖;(e)Ag - NGs和Pt/C的抗甲醇中毒能力;(f)NGs和Ag - NGs在1000個電位循環(huán)前后的LSV曲線。
相關(guān)研究成果由杭州電子科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系納米電子學(xué)與納米器件實(shí)驗(yàn)室Wei Chen等人于2024年發(fā)表在International Journal of Hydrogen Energy (https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.01.348)上。原文：Enhancing performance of nitrogen-doped graphene nano-catalyst for oxygen reduction reaction by Ag loading
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
