在儲(chǔ)存化學(xué)能方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能的材料和器件對于清潔能源的轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和利用至關(guān)重要。鋅空氣電池(ZABs)具有安全、廉價(jià)、環(huán)保、理論能量密度高等優(yōu)勢，因此ZABs也被認(rèn)為是最具潛力的鋰離子電池(LIBs)的替代器件之一。不幸的是，發(fā)展環(huán)境友好和安全的可充電ZAB仍然面臨一些科學(xué)挑戰(zhàn)。

ZAB的理論放電電位高達(dá)1.65 V，然而陰極和陽極反應(yīng)過程之間的界面電阻差以及氧反應(yīng)中的復(fù)雜電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了較高的過電位。因此，需要開發(fā)出能夠使氧電極反應(yīng)過電位最小化的催化劑，以減少能量損失，使其接近理想狀態(tài)。目前，Pt和Ir/Ru是氧電極反應(yīng)的優(yōu)良催化劑，但價(jià)格昂貴、循環(huán)穩(wěn)定性差等問題嚴(yán)重制約了它們的發(fā)展。

基于此，齊魯工業(yè)大學(xué)崔敏、郭英姝、胡偉和青島科技大學(xué)吳則星以及昆士蘭大學(xué)Yusuke Yamauchi(共同通訊)等人通過熱解制備了具有Cu-C和N-C活性組分的氮摻雜石墨炔(Cu NPs/NGDY)雙功能催化劑，并且該催化劑展現(xiàn)出了優(yōu)異的催化活性。

基于本文的表征和分析，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件后，本文通過典型的三電極體系測試了Cu NPs/NGDY和對比樣品的電催化氧還原反應(yīng)(ORR)性能。根據(jù)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，Cu NPs/NGDY的起始電位為1.0 V，半波電位為0.86 V，優(yōu)于Pt/C(1.0 V/0.82 V)。與Cu NPs/GDY和NGDY相比，Cu NPs/NGDY表現(xiàn)出更高的ORR活性，從而證實(shí)了Cu-C和N-C之間的協(xié)同作用以及多層膜堆疊結(jié)構(gòu)有利于電解質(zhì)和氧的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了快速的ORR動(dòng)力學(xué)。

此外，析氧反應(yīng)(OER)作為可充電ZABs的關(guān)鍵半反應(yīng)，本文還在1 M KOH中利用極化曲線研究了催化劑的OER活性。根據(jù)極化曲線可以得知，Cu NPs/NGDY在10 mA cm^-2的電流密度下具有360 mV的低過電位，Cu NPs/NGDY的過電位與RuO₂的過電位接近的同時(shí)，還優(yōu)于Cu NPs/GDY(430 mV@10 mA cm^-2)、NGDY(410 mV@10 mA cm^-2)和泡沫Ni (420 mV@10 mA cm^-2)，這表明Cu、N和GDY的協(xié)同作用在提高催化劑的催化性能方面起到了主導(dǎo)作用。

為了探索Cu NPs/NGDY的ORR機(jī)制，本文進(jìn)行了電荷密度差計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，Cu原子帶正電荷，凈電荷約為0.6 e。而對于GDY，特別是對于乙炔鍵和摻雜的氮原子，其電荷轉(zhuǎn)移將有利于O₂分子的捕獲，并加速ORR。

此外，值得注意的是，^*OOH，^*O和^*OH吸附在Cu原子上，這表明Cu-C是活性部分。更加重要的是，Cu-O鍵長度分別為1.836、1.790、1.821、1.837和1.835 ?。與吸附在Grap-GDY、Grap-GDY’和Pyri-GDY上的四配位Cu相比，N1-GDY上的三配位Cu促進(jìn)了^*OH離子的解離成氫氧化物離子，使得催化劑具有更好的催化性能，這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致?？傊?，基于構(gòu)效關(guān)系的設(shè)計(jì)，本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果為制備基于GDY的電催化劑及其在能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個(gè)簡單可行的策略。

Gorgeous Turn-Back: Rough Surface Treatment Strategy Induces Cu-C and N-C Active Moieties for Bifunctional Oxygen Electrocatalysis, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.144262.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144262.