Identifying the Active Site in Nitrogen-Doped Graphene for the VO2+/VO2+Redox Reaction

氧化还原 石墨烯 氮气 兴奋剂 材料科学 无机化学 化学 纳米技术 光电子学 有机化学
作者
Jutao Jin,Xiaogang Fu,Qiao Liu,Yanru Liu,Zhiyang Wei,Kexing Niu,Junyan Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:7 (6): 4764-4773 被引量:268
标识
DOI:10.1021/nn3046709
摘要

Nitrogen-doped graphene sheets (NGS), synthesized by annealing graphite oxide (GO) with urea at 700-1050 °C, were studied as positive electrodes in a vanadium redox flow battery. The NGS, in particular annealed at 900 °C, exhibited excellent catalytic performance in terms of electron transfer (ET) resistance (4.74 ± 0.51 and 7.27 ± 0.42 Ω for the anodic process and cathodic process, respectively) and reversibility (ΔE = 100 mV, Ipa/Ipc = 1.38 at a scan rate of 50 mV s(-1)). Detailed research confirms that not the nitrogen doping level but the nitrogen type in the graphene sheets determines the catalytic activity. Among four types of nitrogen species doped into the graphene lattice including pyridinic-N, pyrrolic-N, quaternary nitrogen, and oxidic-N, quaternary nitrogen is verified as a catalytic active center for the [VO](2+)/[VO2](+) couple reaction. A mechanism is proposed to explain the electrocatalytic performance of NGS for the [VO](2+)/[VO2](+) couple reaction. The possible formation of a N-V transitional bonding state, which facilitates the ET between the outer electrode and reactant ions, is a key step for its high catalytic activity.
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