Few-layer graphdiyne doped with sp-hybridized nitrogen atoms at acetylenic sites for oxygen reduction electrocatalysis

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作者
Yasong Zhao,Jiawei Wan,Huiying Yao,Lijuan Zhang,Kaifeng Lin,Lei Wang,Nailiang Yang,Daobin Liu,Song Li,Jia Zhu,Lin Gu,Lei Liu,Huijun Zhao,Yuliang Li,Dan Wang
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:10 (9): 924-931 被引量:575
标识
DOI:10.1038/s41557-018-0100-1
摘要

The oxygen reduction reaction (ORR) is a fundamental reaction for energy storage and conversion. It has mainly relied on platinum-based electrocatalysts, but the chemical doping of carbon-based materials has proven to be a promising strategy for preparing metal-free alternatives. Nitrogen doping in particular provides a diverse range of nitrogen forms. Here, we introduce a new form of nitrogen doping moieties —sp-hybridized nitrogen (sp-N) atoms into chemically defined sites of ultrathin graphdiyne, through pericyclic replacement of the acetylene groups. The as-prepared sp-N-doped graphdiyne catalyst exhibits overall good ORR performance, in particular with regards to peak potential, half-wave potential and current density. Under alkaline conditions it was comparable to commercial Pt/C, and showed more rapid kinetics. And although its performances are a bit lower than those of Pt/C in acidic media they surpass those of other metal-free materials. Taken together, experimental data and density functional theory calculations suggest that the high catalytic activity originates from the sp-N dopant, which facilitates O2 adsorption and electron transfer on the surface of the catalyst. This incorporation of chemically defined sp-N atoms provides a new synthetic route to high-performance carbon-based and other metal-free catalysts.
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