開發(fā)用于氧還原反應（ORR）的M-N-C電催化劑對于氫氧燃料電池和金屬空氣電池的應用具有重要意義。
基于此，哈爾濱工程大學范壯軍教授，中國石油大學黃毅超教授，任浩副教授（共同通訊作者）等人開發(fā)了一種協(xié)調(diào)工程策略，通過將富氧石墨烯量子點（GQD）接枝到沸石咪唑骨架（ZIF）前體上來提高Co-N-C電催化劑的ORR動力學和穩(wěn)定性。
優(yōu)化的富氧GQD功能化Co-N-C（G-CoNOC）電催化劑表現(xiàn)出更高的質(zhì)量比活性，并且在200 h后仍保持90.0 %的穩(wěn)定性。
作者通過DFT計算深入研究了G-CoNOC的ORR活性和耐久性的潛在機制，分別構(gòu)建了五個具有代表性的催化劑模型（Co-N4, Co-N3-O, Co-N2-O2, Co-N-O3和Co-O4），研究了ORR和H2O2還原反應的基本步驟。
計算結(jié)果表明，ORR的速率決定步驟為*OH + e- → OH- + *，其中Co-N2-O2的過電位最小為0.71 eV。ORR的過電位和d帶中心呈現(xiàn)火山圖關(guān)系，與Co-N4、Co-N3-O和Co-N-O3相比，O配位降低了Co-N2-O2的d帶中心。根據(jù)Sabatier原理，反應中間體的適度吸附和脫附能有利于催化反應。
為了研究H2O2還原反應的催化活性，本文進一步計算了OOH-中間體的吸附能，O配位增加了ΔEOOH-，說明H2O2容易被捕獲并吸附在活性位點上。總之，GQDs可以有效地優(yōu)化Co-N2-O2活性位點的電子結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)所需的OOH-吸附能，從而通過進一步促進H2O2還原來提高ORR動力學和穩(wěn)定性。
Coordination Engineering of Defective Cobalt-Nitrogen-Carbon Electrocatalysts with Graphene Quantum Dots for Boosting Oxygen Reduction Reaction. Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202207227.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202207227.
