CEJ：粗糙表面处理策略诱导Cu-C和N-C活性基团用于双功能氧电催化

在储存化学能方面表现出优异性能的材料和器件对于清洁能源的转换、储存和利用至关重要。锌空气电池(ZABs)具有安全、廉价、环保、理论能量密度高等优势，因此ZABs也被认为是最具潜力的锂离子电池(LIBs)的替代器件之一。不幸的是，发展环境友好和安全的可充电ZAB仍然面临一些科学挑战。

ZAB的理论放电电位高达1.65 V，然而阴极和阳极反应过程之间的界面电阻差以及氧反应中的复杂电子转移导致了较高的过电位。因此，需要开发出能够使氧电极反应过电位最小化的催化剂，以减少能量损失，使其接近理想状态。目前，Pt和Ir/Ru是氧电极反应的优良催化剂，但价格昂贵、循环稳定性差等问题严重制约了它们的发展。

基于此，齐鲁工业大学崔敏、郭英姝、胡伟和青岛科技大学吴则星以及昆士兰大学Yusuke Yamauchi(共同通讯)等人通过热解制备了具有Cu-C和N-C活性组分的氮掺杂石墨炔(Cu NPs/NGDY)双功能催化剂，并且该催化剂展现出了优异的催化活性。

基于本文的表征和分析，在优化实验条件后，本文通过典型的三电极体系测试了Cu NPs/NGDY和对比样品的电催化氧还原反应(ORR)性能。根据测试结果可以发现，Cu NPs/NGDY的起始电位为1.0 V，半波电位为0.86 V，优于Pt/C(1.0 V/0.82 V)。与Cu NPs/GDY和NGDY相比，Cu NPs/NGDY表现出更高的ORR活性，从而证实了Cu-C和N-C之间的协同作用以及多层膜堆叠结构有利于电解质和氧的传输，从而实现了快速的ORR动力学。

此外，析氧反应(OER)作为可充电ZABs的关键半反应，本文还在1 M KOH中利用极化曲线研究了催化剂的OER活性。根据极化曲线可以得知，Cu NPs/NGDY在10 mA cm^-2的电流密度下具有360 mV的低过电位，Cu NPs/NGDY的过电位与RuO₂的过电位接近的同时，还优于Cu NPs/GDY(430 mV@10 mA cm^-2)、NGDY(410 mV@10 mA cm^-2)和泡沫Ni (420 mV@10 mA cm^-2)，这表明Cu、N和GDY的协同作用在提高催化剂的催化性能方面起到了主导作用。

为了探索Cu NPs/NGDY的ORR机制，本文进行了电荷密度差计算。计算结果表明，Cu原子带正电荷，净电荷约为0.6 e。而对于GDY，特别是对于乙炔键和掺杂的氮原子，其电荷转移将有利于O₂分子的捕获，并加速ORR。

此外，值得注意的是，^*OOH，^*O和^*OH吸附在Cu原子上，这表明Cu-C是活性部分。更加重要的是，Cu-O键长度分别为1.836、1.790、1.821、1.837和1.835 Å。与吸附在Grap-GDY、Grap-GDY’和Pyri-GDY上的四配位Cu相比，N1-GDY上的三配位Cu促进了^*OH离子的解离成氢氧化物离子，使得催化剂具有更好的催化性能，这也与实验结果一致。总之，基于构效关系的设计，本文的实验结果和理论计算结果为制备基于GDY的电催化剂及其在能量转换和存储领域的应用提供了一个简单可行的策略。

Gorgeous Turn-Back: Rough Surface Treatment Strategy Induces Cu-C and N-C Active Moieties for Bifunctional Oxygen Electrocatalysis, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.144262.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144262.