【DFT+实验】吴明红/王亮ACS Nano：Te-O对作为碳纳米片活性中心，显著增强电催化ORR活性

杂原子掺杂作为提高碳纳米材料电催化活性的一种手段，在氧还原反应(ORR)、析氧反应和二氧化碳还原反应(CO₂RR)中得到了广泛的应用。

先前的理论计算已经预测碲(Te)掺入碳材料可以显著提高其催化活性，但是高效碲掺杂碳材料的实验实现仍然具有挑战性。同时，传统的碳材料制备往往导致引入氧元素，氧在显著提高合成材料的ORR性能方面的重要作用常常被忽视。

基于此，上海大学吴明红和王亮等通过密度泛函理论(DFT)计算来预测Te和/或O掺杂在4e⁻ORR途径中的作用。

理论计算表明，由于Te−O化学键的缺乏，在碳材料中很难实现Te掺杂/功能化；一旦Te元素在氧含量相对较低的环境中形成Te−O对，合成的碳材料将削弱中间体OH*的吸附，赋予催化剂强大的电子给予能力和显示出强大的ORR电催化性能。因此，Te−O对有助于加速缓慢的动力学并且有利于扩大层间距。

为了验证上述计算的准确性，研究人员通过设计的串联水热脱水-热解合成策略制备了Te和/或O掺杂/功能化后碳材料(Te-Sl)，并且采用热力学稳定模型研究了催化剂的实际活性中心。XPS和FTIR分析，在掺杂碳材料上观察到了Te−O对；Te-Sl是一种高缺陷/非晶石墨烯纳米片状结构，具有较大的表面积，可导致许多Te−O对的暴露，从而大大提高了电化学性能。

Te-Sl在碱性条件下具有优异的ORR性能，初始电位为0.87 V，半波电位为0.76 V，极限电流密度为−4.10 mA cm⁻²。并且，K-L方程和RRDE表征结果表明Te-Sl在ORR过程中遵循的4e⁻途径。

结合密度泛函理论(DFT)计算和其他表征实验，表明Te成功地用Te−O键修饰了超薄Te-Sl纳米片的表面，并且Te是材料表面的主要活性位点。该项工作在分子水平研究了Te−O对掺杂碳材料的真正活性中心，并且为开发低成本和优异ORR性能的二元杂原子掺杂碳基电催化剂提供了理论指导。

Insights into the Use of Te–O Pairs as Active Centers of Carbon Nanosheets for Efficient Electrochemical Oxygen Reduction. ACS Nano, 2023.