Long-Range Electron Transfer over Graphene-Based Catalyst for High-Performing Oxygen Reduction Reactions: Importance of Size, N-doping, and Metallic Impurities

化学 石墨烯 催化作用 电子转移 吸附 金属 电极 氧气 杂质 兴奋剂 无机化学 分子 化学物理 纳米技术 化学工程 光化学 物理化学 有机化学 光电子学 材料科学 工程类
作者
Chang Hyuck Choi,Hyung‐Kyu Lim,Min Wook Chung,Jong Cheol Park,Hyeyoung Shin,Hyungjun Kim,Seong Ihl Woo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:136 (25): 9070-9077 被引量:236
标识
DOI:10.1021/ja5033474
摘要

N-doped carbon materials are considered as next-generation oxygen reduction reaction (ORR) catalysts for fuel cells due to their prolonged stability and low cost. However, the underlying mechanism of these catalysts has been only insufficiently identified, preventing the rational design of high-performing catalysts. Here, we show that the first electron is transferred into O2 molecules at the outer Helmholtz plane (ET-OHP) over a long range. This is in sharp contrast to the conventional belief that O2 adsorption must precede the ET step and thus that the active site must possess as good an O2 binding character as that which occurs on metallic catalysts. Based on the ET-OHP mechanism, the location of the electrode potential dominantly characterizes the ORR activity. Accordingly, we demonstrate that the electrode potential can be elevated by reducing the graphene size and/or including metal impurities, thereby enhancing the ORR activity, which can be transferred into single-cell operations with superior stability.
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