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Single-Atomic Ruthenium Catalytic Sites on Nitrogen-Doped Graphene for Oxygen Reduction Reaction in Acidic Medium

石墨烯 催化作用 电催化剂 电化学 无机化学 材料科学 电化学能量转换 甲醇 氧化物 氮气 可逆氢电极 化学 电极 纳米技术 工作电极 物理化学 有机化学 冶金
作者
Chenhao Zhang,Junwei Sha,Huilong Fei,Mingjie Liu,Sadegh Yazdi,Jibo Zhang,Qifeng Zhong,Xiaolong Zou,Naiqin Zhao,Haisheng Yu,Zheng Jiang,Emilie Ringe,Boris I. Yakobson,Juncai Dong,Dongliang Chen,James M. Tour
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:11 (7): 6930-6941 被引量:422
标识
DOI:10.1021/acsnano.7b02148
摘要

The cathodic oxygen reduction reaction (ORR) is essential in the electrochemical energy conversion of fuel cells. Here, through the NH3 atmosphere annealing of a graphene oxide (GO) precursor containing trace amounts of Ru, we have synthesized atomically dispersed Ru on nitrogen-doped graphene that performs as an electrocatalyst for the ORR in acidic medium. The Ru/nitrogen-doped GO catalyst exhibits excellent four-electron ORR activity, offering onset and half-wave potentials of 0.89 and 0.75 V, respectively, vs a reversible hydrogen electrode (RHE) in 0.1 M HClO4, together with better durability and tolerance toward methanol and carbon monoxide poisoning than seen in commercial Pt/C catalysts. X-ray adsorption fine structure analysis and aberration-corrected high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy are performed and indicate that the chemical structure of Ru is predominantly composed of isolated Ru atoms coordinated with nitrogen atoms on the graphene substrate. Furthermore, a density function theory study of the ORR mechanism suggests that a Ru-oxo-N4 structure appears to be responsible for the ORR catalytic activity in the acidic medium. These findings provide a route for the design of efficient ORR single-atom catalysts.
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