電催化劑在氧還原反應中的性能對于燃料電池和金屬-空氣電池等清潔能源技術至關重要。開發高活性和低成本的氧還原催化劑仍然是一個重大的挑戰。在這項工作中，通過微波等離子體技術合成了具有高ORR催化性能的銀負載氮摻雜石墨烯片( Ag-NGs )納米復合材料。XPS分析表明，銀納米顆粒優先吸附在石墨-氮位點結構上，從而提高了ORR催化活性，這一結論被第一性原理計算證實。并且在具有吡啶結構的石墨烯中摻入高水平的氮摻雜也有助于ORR催化劑性能的提高。此外，Ag-NGs納米復合材料不僅對氧還原反應的四電子途徑表現出優異的催化活性，而且具有顯著的穩定性。這項研究強調了Ag負載的氮摻雜石墨烯納米復合材料作為一種有前途的電催化劑在清潔能源材料中的應用潛力。
圖1. Ag-NGs納米復合材料的生長機理示意圖。
圖2. Ag - NGs的形貌、微觀結構、元素組成。(a,b,c)Ag-NGs的SEM圖像;(d)低倍率的TEM圖像，插圖是銀納米顆粒的尺寸分布;(e)高倍率的TEM圖像;(f)Ag - NGs復合物的EELS光譜;(g-j)0.1 M Ag-NGs的EDS映射圖像。
圖3. Ag - NGs納米復合材料的晶體結構、組分和價鍵表征。(a)XRD模式;(b)拉曼光譜;(c)XPS光譜;(d)高分辨率Ag3d圖譜;(e)高分辨率C1s圖譜;(f)高分辨率N1s圖譜。
圖4. (a)NGs和(b)Ag - NGs 在O
2和Ar飽和的0.1 M KOH溶液中的CV圖像; (c)NGs、Ag - NGs和Pt / C的起始電位和峰電位的直方圖; (d)NGs和(e)Ag - NGs在O2飽和的0.1 M KOH水溶液(掃描速率: 10 mV s
-1)中，以不同轉速( 250 - 3000轉/分)記錄ORR的線性掃描伏安曲線(LSVs)，插圖是背景校正后NGs和Ag - NGs的相應K-L圖;(f)不同Ag濃度下Ag - NGs復合物的E
onset、E
peak和n。
圖5. 兩種幾何結構模型Ag-石墨N和Ag-吡啶N的DFT計算。吸附不同ORR中間體的優化模型(a) Ag-NGs (石墨氮)，(c) Ag-NGs (吡啶氮); (b)評價了相對于RHE的Ag-石墨N的總ORR自由能，橙線和藍線分別代表U = 0和0.8 V;U是指ORR過程中施加的電位，0.9 V相對于RHE的值常用來評估ORR電催化劑的活性;(d)Ag-pyridine N的總ORR的自由能。
圖6. Ag-NGs (0.1 M Ag)和NGs材料的ORR性能、耐久性和抗甲醇中毒能力。(a)不同電位下的電子轉移數n;(b)H
2O
2產率與電位的關系;(c)Tafel圖;(d)EIS圖;(e)Ag - NGs和Pt/C的抗甲醇中毒能力;(f)NGs和Ag - NGs在1000個電位循環前后的LSV曲線。
相關研究成果由杭州電子科技大學電子科學與技術系納米電子學與納米器件實驗室Wei Chen等人于2024年發表在International Journal of Hydrogen Energy (https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.01.348)上。原文：Enhancing performance of nitrogen-doped graphene nano-catalyst for oxygen reduction reaction by Ag loading
轉自《石墨烯研究》公眾號
