編號：NMJS06701
篇名：不同氮摻雜石墨烯氧還原反應(yīng)活性的密度泛函理論研究
作者：王俊 李莉 魏子棟
關(guān)鍵詞： 氧還原反應(yīng) 氮摻雜石墨烯 吡啶氮 石墨氮 密度泛函理論
機構(gòu)： 重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院
摘要： N摻雜石墨烯作為一種具有較高活性和穩(wěn)定性的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑,受到人們的廣泛關(guān)注。然而不同的N摻雜類型對氧還原活性的影響一直存在爭議。本文通過密度泛函理論分別對石墨型和吡啶型兩種N摻雜石墨烯的ORR活性進行比較研究。能帶結(jié)構(gòu)分析表明,石墨氮摻雜石墨烯（GNG）的導(dǎo)電性隨摻N量的增加而降低;吡啶氮摻雜石墨烯（PNG）的導(dǎo)電性則隨摻N量的增加先提高后降低。當(dāng)N摻雜濃度達到4.2%（原子分?jǐn)?shù)）時,PNG具有最優(yōu)導(dǎo)電性。且當(dāng)N摻雜濃度大于1.4%時,PNG的導(dǎo)電率總是高于GNG。氧還原自由能階梯曲線發(fā)現(xiàn)O_2的質(zhì)子化是整個氧還原過程的潛在控制步驟。在同等氮摻雜濃度下,O_2的質(zhì)子化自由能能變在GNG上低于在PNG上,意味著若在同等電子傳輸能力的情況下,GNG具有比PNG更優(yōu)異的催化活性。進一步分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)N摻雜濃度在低于2.8%時,GNG和PNG導(dǎo)電性差異小,其催化ORR活性由O_2質(zhì)子化反應(yīng)難易程度決定,GNG的催化活性優(yōu)于PNG;當(dāng)N摻雜濃度高于2.8%時,氮摻雜石墨烯的電子傳輸性能（導(dǎo)電性）成為決定催化劑ORR活性的主要因素,因此PNG表現(xiàn)出較GNG更高的活性。
