Unveiling the structural transformation and activity origin of heteroatom-doped carbons for hydrogen evolution

杂原子 电催化剂 碳纤维 掺杂剂 材料科学 离解(化学) 兴奋剂 化学 电化学 无机化学 有机化学 物理化学 电极 复合材料 复合数 光电子学 戒指(化学)
作者
Shanshan Lu,Chuanqi Cheng,Yanmei Shi,Yongmeng Wu,Zhipu Zhang,Bin Zhang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (20) 被引量:43
标识
DOI:10.1073/pnas.2300549120
摘要

Heteroatom-doped carbon materials have been widely used in many electrocatalytic reduction reactions. Their structure-activity relationships are mainly explored based on the assumption that the doped carbon materials remain stable during electrocatalysis. However, the structural evolution of heteroatom-doped carbon materials is often ignored, and their active origins are still unclear. Herein, taking N-doped graphite flake (N-GP) as the research model, we present the hydrogenation of both N and C atoms and the consequent reconstruction of the carbon skeleton during the hydrogen evolution reaction (HER), accompanied by a remarkable promotion of the HER activity. The N dopants are gradually hydrogenated and almost completely dissolved in the form of ammonia. Theoretical simulations demonstrate that the hydrogenation of the N species leads to the reconstruction of the carbon skeleton from hexagonal to 5,7-topological rings (G5-7) with thermoneutral hydrogen adsorption and easy water dissociation. P-, S-, and Se-doped graphites also show similar removal of doped heteroatoms and the formation of G5-7 rings. Our work unveils the activity origin of heteroatom-doped carbon toward the HER and opens a door to rethinking the structure-performance relationships of carbon-based materials for other electrocatalytic reduction reactions.
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