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Boosting Oxygen Reduction Reaction Kinetics by Designing Rich Vacancy Coupling Pentagons in the Defective Carbon

化学 电催化剂 碳纤维 选择性 密度泛函理论 空位缺陷 电子转移 动力学 活动站点 催化作用 电极 电化学 计算化学 光化学 物理化学 结晶学 有机化学 材料科学 复合材料 复合数 物理 量子力学
作者
Hongyin Xia,Ruoyu Pang,Xieyiming Dong,Qixin Liu,Junjie Chen,Erkang Wang,Jing Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (47): 25695-25704 被引量:39
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08556
摘要

In the energy conversion context, the design and synthesis of high-performance metal-free carbon nanomaterials with topological defects for the oxygen reduction reaction (ORR) are essential. Herein, we first report a template-assisted strategy to fabricate carbon defect electrocatalysts with rich vacancy coupling pentagons (VP) as active sites in two-dimensional (2D) carbon nanosheets (VP/CNs). Experimental characterizations verify the presence of abundant VP active sites in the VP/CNs electrocatalyst, and the ORR activity is linearly related to the amounts of VP active sites. In situ spectroscopic results identify that the VP/CNs can catalyze direct O-O bond cleavage, bypassing the formation of traditional *OOH intermediates, resulting in the fast kinetics of ORR via a dissociative pathway. The as-prepared VP/CNs show outstanding intrinsic activity for alkaline ORR (half-wave potential of 0.86 V vs reversible hydrogen electrode) with an almost 99% efficiency for four-electron selectivity, outperforming that using the benchmark of Pt/C. Density functional theory calculations further reveal that the cooperative effect between carbon vacancy and adjacent pentagons significantly increases the charge transfer and achieves a lower ORR reaction energy barrier compared with the counterpart of adjacent pentagons or single pentagon. The well-designed carbon defects pave a new avenue for the rational design of metal-free electrocatalysts with high efficiency.
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