研究揭示碳基催化剂促进电化学反应的理论原理

在过去的几十年中，碳基催化剂作为可再生能源系统中贵金属催化剂的经济替代品而受到广泛关注。

UNIST最近的一项研究揭示了碳基催化剂促进电化学反应的理论原理。其关键在于碳缺陷的存在——连同结构灵活性和化学反应——相结合，即使不需要铂(Pt)等贵金属催化剂也能提高催化活性。

氧还原反应(ORR)是一种重要的电化学反应，已广泛应用于可再生能源应用，例如氢燃料电池、水分解和金属空气电池(MAB)。目前，商业Pt基催化剂(PBC)因其优异的催化活性而被广泛用于此目的。然而，Pt价格高、CO易中毒、耐久性差等问题阻碍了PBCs的大规模应用，研究团队指出。

碳基催化剂作为领先的替代材料正在积极研究，并且催化剂的效率和组成正在稳步提高。然而，碳基催化剂促进电化学反应的原因尚不明确，延缓了碳基催化剂的发展。

在这项研究中，研究团队展示了无金属碳材料中的两种缺陷——碳空位和吡啶氮掺杂——如何增强O2吸附，这是激活ORR的关键反应步骤。

“我们的计算和结构分析表明，缺陷使相邻的边缘碳位点能够通过增强结构灵活性来吸附O2，从而降低碳原子sp2/sp3跃迁的能垒，”研究小组指出。“因此，非局部结构环境与化学反应中吸附位点和吸附物之间的直接相互作用一样重要。”

他们的发现进一步表明，吡啶-N在结构稳定性方面优于碳空位。“我们的研究基于对碳材料的大量理论和实验研究，并且与催化实验结果一致，”研究团队补充道。“此外，我们的结果可以扩展到有缺陷的碳材料中的一般化学反应，并将促进缺陷工程的研究。”