單原子催化劑（SAC）可以提高析氫反應(yīng)(HER)和氧還原反應(yīng)(ORR)的本征催化活性。然而，由于合成過程復(fù)雜和穩(wěn)定性較差，仍然存在很大挑戰(zhàn)。這里提出了一種可持續(xù)的方法，通過激光照射合成SACs并獲得介孔的氧化石墨烯(MGO)。氮摻雜MGO的表面懸掛鍵截取金屬原子種類，并將其轉(zhuǎn)化為單原子。值得注意的是，Co-NMGO電催化劑用于HER時(shí)，僅需要146 mV的低過電位來驅(qū)動(dòng)10mA·cm-2電流密度。同樣，F(xiàn)e-NMGO電催化劑用于酸性溶液中ORR時(shí)，起始電壓為0.79 V。密度泛函理論計(jì)算表明，在0.1 V下，Co-NMGO的最佳自由反應(yīng)能為0.17 eV，而對(duì)于ORR，F(xiàn)e-NMGO的極限電勢(shì)小于Co-NMGO。這項(xiàng)工作為SAC的合成及其機(jī)制的理解開辟了一條新的途徑。
Figure 1. GO、MGO、NMGO和Co-NMGO的結(jié)構(gòu)表征。a)原始GO的TEM圖像。b)激光照射后MGO的SEM圖像，顯示出介孔的三維結(jié)構(gòu)。c）NMGO的STEM圖像。d)Co-NMGO樣品的STEM圖像。e)Co-NMGO樣品的原子分辨率ADF-STEM圖像。f)Co-NMGO樣品的A BF STEM圖像，顯示了可見的石墨烯晶格六邊形環(huán)。
Figure 2. Co-NMGO 和 Fe-NMGO 樣品的 STEM 圖像和 EELS 表征。a) Co-NMGO的STEM 圖像。b)紅色圈標(biāo)記的單原子的EELS 分析。c）Fe-NMGO 的STEM圖像 d) 紅色圈標(biāo)記的單原子的EELS 分析。
Figure 3．HER 和 ORR催化性能。a) HER LSV 圖。b) 塔菲爾圖。c) Co-NMGO 樣品的計(jì)時(shí)電流測(cè)量，在24小時(shí)內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性能。 d) ORR 極化曲線。 e) 塔菲爾圖。f) Fe-NMGO 樣品在 O2 和空氣飽和狀態(tài)下的 CV 曲線。g) Fe-NMGO 樣品在不同旋轉(zhuǎn)速度下的極化曲線，獲得 K-L 圖，如 圖(h) 所示。i) Fe-NMGO樣品的穩(wěn)定性測(cè)量。
Figure 4．HER和ORR在恒定外加電勢(shì)下的反應(yīng)機(jī)理和吉布斯自由能計(jì)算。a–b)空襯底的俯視圖和c–d) Co-NMGO和Fe-NMGO分別吸附了H *中間體的側(cè)視圖。e–f)在不同的外加電位下，對(duì)應(yīng)于Co-NMGO和Fe-NMGO催化劑的HER吉布斯自由能圖。g–h）ORR 途徑出現(xiàn)的反應(yīng)中間體。I–j)在不同的外加電位下計(jì)算出的ORR的自由能圖。
該研究工作由香港科技大學(xué)Zhengtang Luo課題組于2021年發(fā)表在Adv. Energy Mater.期刊上。原文：Laser-Irradiated Holey Graphene-Supported Single-Atom Catalyst towards Hydrogen Evolution and Oxygen Reduction。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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