過去十年，電催化科學(xué)的進(jìn)展促進(jìn)了許多相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展，包括析H2/O2反應(yīng)，CO2還原反應(yīng)，燃料電池等。在這些領(lǐng)域中廣泛引起關(guān)注的一個(gè)問題就是開發(fā)強(qiáng)大和高效的催化劑，這是推動(dòng)它們未來發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。迄今為止，大量研究表明，催化劑的元素組成和晶格結(jié)構(gòu)對其電催化性能有很大的影響。相應(yīng)地，在原子水平上實(shí)現(xiàn)催化劑的可控微調(diào)已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而，這種微調(diào)方法很少被報(bào)道，少數(shù)報(bào)道的方法相對復(fù)雜，并且基于稀缺和昂貴的材料，使得它們不適合大規(guī)模應(yīng)用。
基于此，清華大學(xué)黃霞、耶魯大學(xué)Menachem Elimelech和北京林業(yè)大學(xué)梁帥等以含氮聚丙烯腈(PAN)為原料，將其靜電紡絲成由高度連接的納米纖維組成的多孔膜，并通過熱調(diào)諧策略對N和C的原子/晶格排列進(jìn)行微調(diào)。具體而言，通過簡單地改變碳化溫度，可以控制吡咯氮向石墨氮的轉(zhuǎn)變，同時(shí)燒掉一部分N以產(chǎn)生缺陷；同時(shí)，碳化溫度的改變也會(huì)影響C基體的晶格狀態(tài)，即溫度的升高首先增加了無序缺陷C-sp3構(gòu)型的比例(有利于電催化反應(yīng))，但在高溫(例如1500°C)下其變回有序的石墨C-sp2構(gòu)型。因此，催化性能可以通過對原子/晶格排列的精細(xì)控制來控制。基于密度泛函理論(DFT)的量子化學(xué)計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證了這種熱調(diào)諧策略的機(jī)理。結(jié)果表明，最佳熱處理可以提高氧化還原活性、增加電子轉(zhuǎn)移容量和改善吸附能力，從而大大提高電催化效率；同時(shí)研究人員結(jié)合多物理模擬，強(qiáng)調(diào)了增加電催化活性中心而不是最大化電導(dǎo)率的重要性。得益于這種調(diào)整策略，優(yōu)化后的CN_900膜電催化普萘洛爾降解效率高，在流通(約2.5 s接觸時(shí)間)，高通量(424.5 L m?2 h?1)和長期(> 720 min)試驗(yàn)期間，它以非常低的能耗(0.029 ± 0.010 kWh m?3order?1)成功地保持了> 99%的降解率，表明可持續(xù)應(yīng)用的巨大潛力。總的來說，該項(xiàng)工作系統(tǒng)地研究了CN膜的電催化行為，闡明了相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，并且所提出的熱調(diào)整策略為未來各種類型催化劑的精確和可控制制造提供了指導(dǎo)。Subtle Tuning of Nanodefects Actuates Highly Efficient Electrocatalytic Oxidation. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-37676-6
