氧還原反應(yīng)（ORR）動力學(xué)速度慢已成為制約金屬-空氣電池和燃料電池發(fā)展的瓶頸，開發(fā)低成本、高催化活性、高穩(wěn)定性的氧還原反應(yīng)電催化劑是該領(lǐng)域的研究前沿和熱點。近年研究發(fā)現(xiàn)，在氮摻雜碳材料中，當(dāng)摻雜氮-碳位點（N-C）與碳本征缺陷相鄰時，碳缺陷能夠引起N-C位點表面電荷的重新分布，調(diào)整N-C位點對含氧中間體的吸附能壘，使氮摻雜碳材料展現(xiàn)出與商業(yè)貴金屬催化劑相當(dāng)?shù)拇呋钚浴Ｈ欢?，現(xiàn)有的刻蝕策略所得到的碳缺陷的位置往往是隨機的，無法有效使碳缺陷與N-C位點形成耦合。因此，設(shè)計開發(fā)具有普適性、定向性的碳刻蝕策略是構(gòu)筑高效N-C位點有效的方式，但也極具挑戰(zhàn)。
近日，中南大學(xué)劉素琴教授和何震教授提出了一種單線態(tài)氧定點刻蝕策略，實現(xiàn)了在N-C位點區(qū)域構(gòu)筑碳拓撲缺陷，提升了N-C位點的ORR催化活性。該項工作利用摻雜氮原子相鄰的原子（XN）對氧氣的吸附特性（XN可為：金屬-氮-碳（M-N-C）位點中的金屬原子（M）或N-C位點中的碳原子（C）），首次利用單線態(tài)氧的高活性和對XN的強錨定作用，對N相鄰區(qū)域的碳骨架實現(xiàn)定點刻蝕。與普通氧氣容易在熱解過程中發(fā)生脫附行為不同，通過簡單熱解無機含氧化合物產(chǎn)生的單線態(tài)氧能夠強有力地錨定XN原子，在熱解過程中刻蝕N鄰近碳層，從而構(gòu)筑豐富的N-C/碳拓撲缺陷耦合位點。理論計算和實驗結(jié)果表明，N-C/碳拓撲缺陷耦合位點的構(gòu)筑極大的提升了氮摻雜碳材料對氧氣的化學(xué)吸附能力，促進了氧還原反應(yīng)的進程。
這種由單線態(tài)氧定向刻蝕策略制備的氮摻雜碳材料所展現(xiàn)出的氧還原催化活性在迄今報道過的無金屬碳基氧還原催化劑中是最高的。在無iR補償條件下，其堿性條件ORR半波電位達到0.915 V (vs. RHE)，且在酸性條件下也表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。此外，該策略適用于可產(chǎn)生單線態(tài)氧的多種無機含氧化合物作為氧氣來源，同時也適用于不同種類碳前驅(qū)體，展現(xiàn)出優(yōu)異的普適性。該策略亦有望拓展至其它類型催化劑活性位點的設(shè)計和構(gòu)筑，為精準、可控的構(gòu)筑特定形式位點提供了新的思路。 論文信息 Singlet Oxygen Induced Site-Specific Etching Boosts Nitrogen-Carbon Sites for High-Efficiency Oxygen Reduction Guanying Ye, Suqin Liu, Kuangmin Zhao, and Zhen He Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202303409
