Defect Engineering of Graphene Hybrid Catalysts for Oxygen Reduction Reactions

Abstract

Oxygen reduction reaction (ORR) is important for energy and catalytic applications. Therefore, it is significant to develop highly active and selective catalysts to promote ORR. According to the reaction process, ORR can be categorized into two-and four-electrons transfer pathways. In this work, chemically modified graphene sheets with different defects were used as precursors, which were integrated with Ag-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (Ag-TCNQ) to form hybrid catalysts. The ORR activities of Ag-TCNQ/high defect graphene and Ag-TCNQ/low defect graphene were compared. The results show that the electron transfer number of ORR with Ag-TCNQ/high defect graphene is 2.4. And its corresponding production yield of H 2 O 2 is 0.62 mg/h, and Faraday efficiency is 64.45%.In comparison, the electron transfer number of ORR with Ag-TCNQ/low defect graphene is 3.7 and the corresponding half-wave potential is about 0.7 V (vs. RHE). Therefore, high structural defects promote the two-electron process of ORR, while low structural defects facilitate the four-electron process of ORR. In the composites, Ag-TCNQ nanoparticles and graphene have formed a hybrid effect to improve the catalytic activities.

Perovskite Catalysts for Oxygen Evolution and Reduction Reactions in Zinc-Air Batteries

“…The rapid development of new batteries for electrocatalysts needs to meet two requirements of being ecofriendly and providing high energy densities [1][2][3][4][5][6][7]. Recently, zinc-air batteries (ZABs) have become a hot spot for research because of their low-cost, high-energy density, portability, environmental friendliness, and durable charge/discharge cycle effects [8][9][10].…”

Amorphous Vanadium Oxide Loaded by Metallic Nickel-copper towards High-efficiency Electrocatalyzing Hydrogen Production

“…Key words: nickel-copper alloy; vanadium oxide; hydrogen evolution reaction; cluster structure; synergistic effect 电解水制氢是人类社会追求可持续发展能源最 简单而有效的途径之一 [1][2] 。而开发具有高经济性、 高活性、高稳定性的催化剂是获得氢气的关键。目 前，铂基贵金属是市场上最有效的析氢电催化剂， 但其稀缺性及高成本限制了其规模化实际应用 [3][4][5] 。 因此，开发高丰度、低成本、高活性，能持续产生 氢气、满足工业应用的非贵金属基电催化剂来替代 贵金属催化剂是解决问题的关键。因在碱性介质中 突出的催化活性，镍和不锈钢常被用作工业电解水 的阴极材料，但金属表面具有显著的氢吸附或氧扩 散，会引起强烈的化学腐蚀，使其在长期的水电解 过程中常发生严重的失活现象 [6][7][8] 。 近来，越来越多的科研工作者聚焦于镍、铁、 钴、钼、钒基材料的氢氧化物、硫化物、磷化物、 硒化物等电催化剂的开发 [9][10][11][12][13] 。但碱性介质中缺少 质子，少有催化剂能与商业 Pt/C 匹敌。因此，设计 开发在碱性介质中高效且稳定的析氢催化剂具有重 要意义。Gong 等 [14] 报道了一种 Cr2O3 包覆 NiO/Ni 的复合电催化剂，在析氢反应中表现出高活性和超 强稳定性。研究发现 Cr2O3 涂层在保护核心 NiO/Ni 活性位避免氧化和聚集中起到了重要作用。Li 课题 组 [15] 也开发了一种新型 N 包覆的镍基催化材料，并 证实了 N 的包覆对材料本征活性具有促进作用。N 包覆使得催化剂表面活性 H 原子吸附与产物 H2 分 子脱附达到理想平衡，从而具有良好的催化活性及 稳定性。 尽管高活性非贵金属催化剂已有诸多报道， 人们还是迫切希望能以简单温和的方法开发出高效 耐用的催化剂来满足商业电解槽的需求。 铜和镍是本征析氢活性仅次于贵金属的金属， 两者的最外层电子结合形成金属间的协同电催化作 用，能明显提高单一金属的催化析氢能力 [16] 。镍铜 基电极材料因其优异的析氢性能、低廉的成本以及 丰富的储量，已成为工业化制氢领域替代商业 Pt/C 的候选电极材料之一 [17] 。钒氧化物因良好的反应活 性、较高的比容量，已广泛应用于能源储存、催化 和气相变色领域 [18][19][20] 。在工业电解水制氢中，V2O5 通常作为一种电解质添加剂，通过形成富钒沉淀有 效去除阴极表面的氢化物， 激活 Ni 阴极表面失活的 活性位点。无论是复合氧化物还是复合异质金属， 引入 V 原子可以调整紧邻原子的电子结构、或 增强 费米能级附近的态密度，均能显著改善材料的本征 析氢活性 [21][22][23] 。 He 等 [24] 通过一步水热合成获得了镍 钒双氢氧化物纳米片(NiV-LDH/NF) ，在碱性介质 中表现出优良的析氢活性和耐用性， 电流密度为 10 mA•cm -2 时需要的过电位为 114 mV。 Dey 等 [25] [17] 制备。以催化剂的析氢 活性为指标，采用单因素控制变量法 [26] 优化钒源浓 度、电位窗口、扫面速度、沉积圈数等参数。研究 中使用的试剂及仪器、目标催化剂的物理表征及电 化学测试过程详见支撑材料 S1~S3。 111)晶面 [29] [30] 。在 855.9 和 873.7 eV 处出现了一对分 裂能为 17.8 eV 的特征轨道峰，同时还伴随着一对 结合能为 861.9 和 880.2 eV 的卫星峰，这归属于 [33] 。 在图 4(d)中， O1s 的高分辨 XPS 谱图出现了两个光电子发射峰，对应氧元素的两种 键合形式。结合能为 529.8 eV 的光电子发射峰属于 V2O5 中的 V-O 键 [34] Co@N-CNT 94.0 44 [35] FeCoNi-HNTAs 37.5 58 [36] NiFeV/NF 62.0 125…”