Fullerene Fragment Restructuring: How Spatial Proximity Shapes Defect-Rich Carbon Electrocatalysts

化学 富勒烯 化学物理 密度泛函理论 煅烧 纳米技术 破损 分子动力学 催化作用 计算化学 复合材料 有机化学 材料科学
作者
Ning Li,Kun Guo,Mengyang Li,Xiudi Shao,Zhiling Du,Lipiao Bao,Zhixin Yu,Xing Lü
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:13
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06456
摘要

Fullerene transformation emerges as a powerful route to construct defect-rich carbon electrocatalysts, but the carbon bond breakage and reformation that determine the defect states remain poorly understood. Here, we explicitly reveal that the spatial proximity of disintegrated fullerene imposes a crucial impact on the bond reformation and electrocatalytic properties. A counterintuitive hard-template strategy is adopted to enable the space-tuned fullerene restructuring by calcining impregnated C60 not only before but also after the removal of rigid silica spheres (∼300 nm). When confined in the SiO2 nanovoids, the adjacent C60 fragments form sp3 bonding with adverse electron transfer and active site exposure. In contrast, the unrestricted fragments without SiO2 confinement reconnect at the edges to form sp2-hybridized nanosheets while retaining high-density intrinsic defects. The optimized catalyst exhibits robust alkaline oxygen reduction performance with a half-wave potential of 0.82 V via the 4e– pathway. Copper poisoning affirms the intrinsic defects as the authentic active sites. Density functional theory calculations further substantiate that pentagons in the basal plane lead to localized structural distortion and thus exhibit significantly reduced energy barriers for the first O2 dissociation step. Such space-regulated fullerene restructuring is also verified by heating C60 crystals confined in gallium liquid and a quartz tube.
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