Structure-activity relationship of doped-nitrogen (N)-based metal-free active sites on carbon for oxygen reduction reaction

催化作用 兴奋剂 氮气 化学 无机化学 氧气 碳纤维 氧还原反应 金属 材料科学 氧还原 物理化学 有机化学 电化学 电极 复合材料 复合数 光电子学
作者
Jing Liu,Ping Song,Weilin Xu
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:115: 763-772 被引量:158
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2017.01.080
摘要

Abstract Resolving the structure-activity relationship of doped-nitrogen (N)-based active sites on carbon and their variation mechanism during oxygen reduction reaction (ORR) process have been very desirable for the deep understanding of doped-N-based carbon materials. Here, by correlating the ORR catalytic performance with chemical compositions of N-doped carbon samples and performing systematic quantum chemical calculations, we partially resolved the structure-activity relationship of different N-containing active sites on N-doped carbon, including the ORR-induced transformation of both pyridinic and graphitic N to pyrrolic N, the revealing of the catalytic activity order of different N-containing sites for ORR from both experimental and theoretical points of view systematically: pyridinic N > pyrrolic N > graphitic N > oxidized N > C (carbon). The tiny structure difference-induced huge ORR activity difference of N-containing sites was also revealed. All these new understandings to the doped-N-based ORR carbon catalysts can guide the rational design of N-doped metal-free catalysts.

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