Identification of active sites for acidic oxygen reduction on carbon catalysts with and without nitrogen doping

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作者
Yi Jia,Longzhou Zhang,Linzhou Zhuang,Hongli Liu,Xuecheng Yan,Xin Wang,Jiandang Liu,Jiancheng Wang,Ya‐Rong Zheng,Zhaohui Xiao,Elena Taran,Jun Chen,Dongjiang Yang,Zhonghua Zhu,Shuangyin Wang,Liming Dai,Xiangdong Yao
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:2 (8): 688-695 被引量:457
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0297-4
摘要

Owing to the difficulty in controlling the dopant or defect types and their homogeneity in carbon materials, it is still a controversial issue to identify the active sites of carbon-based metal-free catalysts. Here we report a proof-of-concept study on the active-site evaluation for a highly oriented pyrolytic graphite catalyst with specific pentagon carbon defective patterns (D-HOPG). It is demonstrated that specific carbon defect types (an edged pentagon in this work) could be selectively created via controllable nitrogen doping. Work-function analyses coupled with macro and micro-electrochemical performance measurements suggest that the pentagon defects in D-HOPG served as major active sites for the acidic oxygen reduction reaction, even much superior to the pyridinic nitrogen sites in nitrogen-doped highly oriented pyrolytic graphite. This work enables us to elucidate the relative importance of the specific carbon defects versus nitrogen-dopant species and their respective contributions to the observed overall acidic oxygen reduction reaction activity. The active sites of metal-free carbon catalysts for the oxygen reduction reaction remain still elusive. Now, Yao, Dai and co-workers combine work-function analyses with macro/micro-electrochemical measurements on highly oriented pyrolytic graphite and conclude that pentagon defects are the main active sites for acidic oxygen reduction.
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