第一作者：Ning Li, Mengyang Li

通訊作者：盧興，郭昆，侯高壘

通訊單位：華中科技大學，西安交通大學

盧興，男，華中科技大學教授，博士生導師；兼任日本筑波大學生命學際領域研究中心共同研究員。美國科學促進會, 美國化學會, 美國電化學會, 英國皇家化學會, 日本化學會, 日本富勒烯-碳納米管研究會等多個國際學術組織的正式會員。?2009.11 第十二屆“中華人民共和國駐日本大使獎”，中國留日同學總會主辦。2011.03 第七屆“大澤賞”，日本富勒烯-碳納米管研究學會。2019年8月2日，入選2019年度國家杰出青年科學基金建議資助項目申請人名單 。

論文速覽

摻雜–去摻雜化學為將雜原子摻雜劑轉化為本征缺陷奠定了基礎，但缺陷含量仍然受到摻雜效率不足的阻礙。因此，理解原始碳摻雜背后的關鍵因素及其與去摻雜碳的催化性能的相關性具有重要意義。

本文深入探討了摻雜劑在碳催化劑中的缺陷工程中的作用，尤其是本征缺陷對摻雜過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與邊緣相比，原始碳材料中的五邊形更容易成為氮摻雜位點，這導致?lián)诫s水平顯著提高。

此外，實驗和理論證據(jù)致表明，通過去除氮摻雜劑，尤其是從五邊形石墨氮(Gra-N)中去除，可以生成具有更高氧還原反應(ORR)活性的新五邊形-七邊形-五邊形結構的活性位點。優(yōu)化后的富含缺陷的碳材料展現(xiàn)出優(yōu)異的半波電位(0.834 V)、卓越的長期耐久性，并在Zn-空氣電池中有潛在的應用前景。

圖文導讀

圖1：不同數(shù)量五邊形的石墨烯納米片的幾何構型，以及氮原子在邊緣內六邊形、近邊緣內六邊形、遠離邊緣內六邊形和五邊形內的摻雜位點。

圖2：不同結構特征的前體開始的摻雜和去摻雜碳的合成策略示意圖，以及掃描和透射電鏡圖像。

圖3：制備碳材料的物理表征，包括XRD圖譜。

圖4：研究碳催化劑和20 wt%Pt/C的電化學性能測試，包括LSV曲線、半波電位、Tafel斜率、不同轉速下的ORR極化曲線。

圖5：通過去除不同位點的氮摻雜劑形成五邊形的途徑，優(yōu)化后的原子模型用于DFT計算，以及堿性條件下四電子ORR的自由能圖和理論極限電位。

總結展望

本研究揭示了原始碳材料中的本征缺陷在摻雜劑介導的缺陷工程中的關鍵作用，特別是五邊形對氮摻雜可行性的促進作用。通過控制摻雜劑的配置，研究進一步表明，去除氮摻雜劑后可以產生更多的活性五邊形缺陷結構，從而顯著提高碳材料的氧還原反應活性。

優(yōu)化后的缺陷豐富的碳材料展現(xiàn)出與商業(yè)Pt/C相媲美甚至更優(yōu)的ORR活性、選擇性和穩(wěn)定性，為實際應用提供了廣闊前景。本工作為設計和制備高性能的碳基無金屬電催化劑提供了寶貴的見解，并強調了本征缺陷在材料設計中的重要性。

文獻信息

標題：Deciphering the Role of Native Defects in Dopant-Mediated Defect Engineering of Carbon Electrocatalysts

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202401008