吉大/天津理工Chem: 超致密碳缺陷作为高活性位点，实现酸和碱中高效催化氧还原

含有缺陷的碳最近被认为是贵金属电催化剂最有希望的替代品之一。然而，碳缺陷的原子结构调整，特别是在调节缺陷密度以最大化活性位点方面仍然具有挑战。

近日，吉林大学姚向东和天津理工大学赵炯鹏等报告了一种界面自腐蚀策略，通过对ZnO量子点的一系列热氧化还原反应来控制碳原子的去除和重建，并在衍生的多孔碳中形成CO作为氧还原的有效活性位点，使得其为在碱和酸中均表现出色的催化剂。

研究人员首先通过有限元法(FEM)分析进行了概念验证研究。具体来说，通过不同的载气开度角和流速模拟了CO₂气体在碳腔内的自由扩散状态和转变程度(从CO₂到CO)，结果表明，CO₂的自由扩散受到碳腔的有限空间的限制，可以保证碳循环反应更加彻底和持久，以对抗碳的区域结构有序性。在实验操作上，选择特定的MOF作为前驱体来构建半封闭空间，以控制所形成的CO₂/CO气体的扩散。

原位热重-质谱分析结合拉曼光谱表明，碳腔中受限的CO₂气体会显着增加缺陷密度，这与碱性和酸性电解质中的ORR活性成正比(例如，在0.1 M KOH和0.1 M HClO₄中的半波电位分别为0.75 V和0.90 V)。归一化比活度和密度泛函理论(DFT)计算进一步揭示了缺陷位点之间存在梯度“邻近效应”(即比活度增加，ORR的理论过电位随着缺陷位点空间距离的缩短而降低)，表明碳缺陷密度的定量控制是提高电催化活性的关键。

本研究中开发的方法提供了一种理想和通用的策略，可以有效地产生足够数量的碳缺陷作为活性位点，并且超密集的缺陷位点也是通过耦合其他非金属或金属物质开发实用混合电催化剂的基础，这能够促进下一代经济实惠的电催化剂的设计和应用。

Ultra-Dense Carbon Defects as Highly Active Sites for Oxygen Reduction Catalysis. Chem, 2022. DOI: 10.1016/j.chempr.2022.06.013