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Pyridinic-N Dominates ORR Performance: Decoding Configuration-Sensitive Electrocatalysis of N-Doped Graphene Quantum Dots

电催化剂 石墨烯 量子点 解码方法 石墨烯量子点 化学 量子 纳米电子学 催化作用 材料科学 纳米技术 量子计算机 物理 光电子学 凝聚态物理 氧还原反应
作者
Jiayu Yuan,Xiao‐Bao Yang,Haofan Wang,Yonghai Cao,Hongjuan Wang,Guangxing Yang,Hao Yu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (21): 18112-18122 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c04899
摘要

Developing low-cost, high-performance metal-free oxygen reduction catalysts demands precise quantification of structure-performance relationships in nitrogen-doped carbons. Structural search algorithms combined with density functional theory (DFT) enable comprehensive analysis of catalytic performance versus structural features. Using nitrogen-doped graphene quantum dots (NGQDs) as models, we computationally resolve how nitrogen species types (pyridinic-N, graphitic-N) and substitution positions influence the stability and intrinsic activity. Boltzmann statistics quantify the contributions of all configurations to the current density during oxygen reduction. Furthermore, we identify dominant configurations grouping NGQDs into configuration lumps. Thermodynamically, nitrogen atoms preferentially occupy carbon atoms at defect-adjacent sites as pyridinic-N. Their spatial distribution controls local atomic charge redistribution and adsorption environments, thereby modulating intrinsic activity. These materials exhibit extreme configuration sensitivity: thermodynamically stable dominant configurations may contribute minimally to current density. Crucially, lumped pyridinic-N configurations dominate ORR performance. This work provides theoretical insights supporting carbon adjacent to pyridinic-N as the primary active site in N-doped carbon ORR catalysts. It establishes a universal framework for analyzing structure–activity relationships in nonmodel catalytic systems.
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