「国家杰青」！华科大/西安交大，最新AEM！

第一作者：Ning Li, Mengyang Li

通讯作者：卢兴，郭昆，侯高垒

通讯单位：华中科技大学，西安交通大学

卢兴，男，华中科技大学教授，博士生导师；兼任日本筑波大学生命学际领域研究中心共同研究员。美国科学促进会, 美国化学会, 美国电化学会, 英国皇家化学会, 日本化学会, 日本富勒烯-碳纳米管研究会等多个国际学术组织的正式会员。 2009.11 第十二届“中华人民共和国驻日本大使奖”，中国留日同学总会主办。2011.03 第七届“大泽赏”，日本富勒烯-碳纳米管研究学会。2019年8月2日，入选2019年度国家杰出青年科学基金建议资助项目申请人名单 。

论文速览

掺杂–去掺杂化学为将杂原子掺杂剂转化为本征缺陷奠定了基础，但缺陷含量仍然受到掺杂效率不足的阻碍。因此，理解原始碳掺杂背后的关键因素及其与去掺杂碳的催化性能的相关性具有重要意义。

本文深入探讨了掺杂剂在碳催化剂中的缺陷工程中的作用，尤其是本征缺陷对掺杂过程的影响。研究发现，与边缘相比，原始碳材料中的五边形更容易成为氮掺杂位点，这导致掺杂水平显著提高。

此外，实验和理论证据致表明，通过去除氮掺杂剂，尤其是从五边形石墨氮(Gra-N)中去除，可以生成具有更高氧还原反应(ORR)活性的新五边形-七边形-五边形结构的活性位点。优化后的富含缺陷的碳材料展现出优异的半波电位(0.834 V)、卓越的长期耐久性，并在Zn-空气电池中有潜在的应用前景。

图文导读

图1：不同数量五边形的石墨烯纳米片的几何构型，以及氮原子在边缘内六边形、近边缘内六边形、远离边缘内六边形和五边形内的掺杂位点。

图2：不同结构特征的前体开始的掺杂和去掺杂碳的合成策略示意图，以及扫描和透射电镜图像。

图3：制备碳材料的物理表征，包括XRD图谱。

图4：研究碳催化剂和20 wt%Pt/C的电化学性能测试，包括LSV曲线、半波电位、Tafel斜率、不同转速下的ORR极化曲线。

图5：通过去除不同位点的氮掺杂剂形成五边形的途径，优化后的原子模型用于DFT计算，以及碱性条件下四电子ORR的自由能图和理论极限电位。

总结展望

本研究揭示了原始碳材料中的本征缺陷在掺杂剂介导的缺陷工程中的关键作用，特别是五边形对氮掺杂可行性的促进作用。通过控制掺杂剂的配置，研究进一步表明，去除氮掺杂剂后可以产生更多的活性五边形缺陷结构，从而显著提高碳材料的氧还原反应活性。

优化后的缺陷丰富的碳材料展现出与商业Pt/C相媲美甚至更优的ORR活性、选择性和稳定性，为实际应用提供了广阔前景。本工作为设计和制备高性能的碳基无金属电催化剂提供了宝贵的见解，并强调了本征缺陷在材料设计中的重要性。

文献信息

标题：Deciphering the Role of Native Defects in Dopant-Mediated Defect Engineering of Carbon Electrocatalysts

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202401008