李敬课题组JACS：缺陷碳纳米片上富空位偶联五边形碳位点增强ORR反应动力学

锌-空气电池(ZABs)由于具有高能量密度、优异的耐久性和无碳排放等优点，被认为是一种环境友好和可持续的能量转换装置。然而，在电池放电过程中，氧还原反应(ORR)的缓慢动力学严重限制了它们的广泛应用。虽然Pt族金属(PGM)材料被认为是ORR的基准催化剂，但是其高成本和稀缺性限制了它们的大规模应用。因此，开发具有成本效益和高性能的无PGM催化剂来提高ORR的动力学是实现下一代能量转换技术大规模应用的关键。

目前，以MN_xC_y形式负载在氮掺杂碳上的过渡金属被认为是PGM的替代品，但由于氧化性H₂O₂攻击或碳载体的氧化腐蚀引起的活性金属中心的溶解，其耐久性仍然不理想。因此，开发高活性、高稳定性的无金属催化剂对于推动ZABs的发展至关重要。

近日，中国科学院长春应化所李敬课题组采用的模板辅助法合成了具有碳空位和相邻五边形碳偶联活性位点(VP/CNs)的二维碳纳米片。所制备的VP/CNs电催化剂具有高比表面积(1200 m² g^-1)和丰富的碳空位以及相邻的五边形碳(VP)作为活性位点，加速了ORR的动力学。

实验结果表明，VP/CNs电催化剂对ORR表现出较高的电催化活性(在0.1 M KOH中的半波电位为0.86 V_RHE)，甚至表现出比商业Pt/C电催化剂更好的催化活性和长期稳定性(连续电解60 h后，VP/CNs催化剂仍保持初始电流的96.8%，而Pt/C催化剂保留初始电流的83.6%)。

原位表征和密度泛函理论(DFT)计算显示，VP/CNs电催化剂上有关键中间体(*-O-O-*)产生而不是*OOH中间体，表明ORR通过解离机制加速了ORR动力学；同时，碳空位与相邻五边形碳之间的协同效应使得缺陷与氧分子之间的相互作用比无碳空位相邻五边形碳位点或单个五边形碳位点更强，降低了反应势垒。

此外，将VP/CN作为ZAB的阴极催化剂，其峰值功率密度达到155.1 mW cm^-2，超过了商业Pt/C(120.5 mW cm^-2)；基于VP/CNs的ZAB在10 mA cm^-2电流密度下连续放电250小时而表现出可忽略不计的电压损失，揭示了VP/CNs电催化剂的优异耐久性。综上，该项工作证明了耦合活性位点的协同效应在提高ORR性能中的重要性，也为合理设计具有快速解离机理的高效碳基ORR催化剂提供了指导。

Boosting oxygen reduction reaction kinetics by designing rich vacancy coupling pentagons in the defective carbon. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c08556