不同氮掺杂石墨烯氧还原反应活性的密度泛函理论研究

编号：NMJS06701

篇名：不同氮掺杂石墨烯氧还原反应活性的密度泛函理论研究

作者：王俊 李莉 魏子栋

关键词： 氧还原反应 氮掺杂石墨烯 吡啶氮 石墨氮 密度泛函理论

机构： 重庆大学化学化工学院

摘要： N掺杂石墨烯作为一种具有较高活性和稳定性的氧还原反应（ORR）催化剂,受到人们的广泛关注。然而不同的N掺杂类型对氧还原活性的影响一直存在争议。本文通过密度泛函理论分别对石墨型和吡啶型两种N掺杂石墨烯的ORR活性进行比较研究。能带结构分析表明,石墨氮掺杂石墨烯（GNG）的导电性随掺N量的增加而降低;吡啶氮掺杂石墨烯（PNG）的导电性则随掺N量的增加先提高后降低。当N掺杂浓度达到4.2%（原子分数）时,PNG具有最优导电性。且当N掺杂浓度大于1.4%时,PNG的导电率总是高于GNG。氧还原自由能阶梯曲线发现O_2的质子化是整个氧还原过程的潜在控制步骤。在同等氮掺杂浓度下,O_2的质子化自由能能变在GNG上低于在PNG上,意味着若在同等电子传输能力的情况下,GNG具有比PNG更优异的催化活性。进一步分析发现：当N掺杂浓度在低于2.8%时,GNG和PNG导电性差异小,其催化ORR活性由O_2质子化反应难易程度决定,GNG的催化活性优于PNG;当N掺杂浓度高于2.8%时,氮掺杂石墨烯的电子传输性能（导电性）成为决定催化剂ORR活性的主要因素,因此PNG表现出较GNG更高的活性。