香港城市大学Ruquan Ye课题组–激光诱导非晶石墨烯中的拓扑缺陷用于直接硝酸盐到氨的电还原

开发用于将硝酸盐直接还原为氨的无金属电催化剂有望修复废水，但仍面临氨选择性差的挑战。非晶化已成为一种新兴策略，可提供具有独特物理、化学和电子特性的传统材料。聚合物的瞬态激光加热产生具有不寻常多晶格的石墨烯，但由于极端条件和激光过程的快速动力学，难以控制石墨烯的非晶性。在这里，我们报告了具有可定制异相的无定形石墨烯的合成，在拓扑上与结晶石墨烯和无定形碳不同。原子分辨率成像揭示了包含六元环和多边形的中间结晶度，其比例与前体的芳香结构直接相关。这些无定形石墨烯作为无金属催化剂，在直接硝酸盐到氨的电还原中表现出高性能。该性能与石墨烯的非晶性有关，在-0.94 V下(相对可逆氢电极)，NTCDA-LIG获得了高达83.7%的NH3法拉第效率和2456.8 μg h-1 cm-2的产率，X射线对分布函数和顺磁性揭示了无定形石墨烯中伸长的碳-碳键和丰富的不成对电子，如理论计算所示，它们表现出更有利的硝酸盐吸附。我们的研究结果揭示了石墨烯的可控合成具有不寻常的拓扑结构，可以在电子、催化和传感器中找到广泛的应用。

Figure 1. (a)sm-LIG制备过程示意图。(b)PTCDA-LIG的SEM图像；比例尺，10μm。(c)PTCDA-LIG的TEM图像；比例尺，100nm。(d)在10%功率和10个脉冲/点下制备的NTCDA-、PTCDA-和PQ-LIG的拉曼光谱。(e)在不同激光功率下制备的PTCDA-LIG的拉曼光谱（脉冲密度：10个脉冲/点）。(f)XPS测量光谱和(g)PTCDA和PTCDA-LIG的C1s光谱。

Figure 2. (a)NTCDA-LIG和(c)PTCDA-LIG的HRTEM图像；比例尺，2nm。(b)NTCDA-LIG和(d)PTCDA-LIG的指示区域放大；比例尺，0.5nm。概述了六元环的域。(e)sm-LIGs和石墨参考的EPR光谱。(f)sm-LIG的薄层电阻。(g,h)sm-LIGs和石墨参考的PDF。

Figure 3. (a)NO3RR对HER的电化学活性。实线是sm-LIG在1M NaNO3中的LSV曲线，而虚线是在1M NaCl中的LSV曲线（扫描速率：10mVs^–1）。(b)NH3FE和(c)sm-LIGs在不同电位下的NH3产率。(d)使用14NO3和15NO3作为N源进行NO3还原后电解质的1HNMR光谱。(e)1HNMR和靛酚蓝法计算的NH3FE和产率。(f)NO2——不同电位下sm-LIG的FE。(g)NH3FE和NTCDA-LIG在-0.74VvsRHE在不同循环中的产率。(h)NH3FE和产率与已报道的电催化剂的比较。

Figure 4. (a) G-57 站点上中间体的优化结构。(b) G-66、G-57 和 G-57/66 位点上不同中间体的吉布斯自由能图。

相关研究工作由香港城市大学Ruquan Ye课题组于2022年在线发表于《ACS Catalysis》期刊上，原文：Steering the Topological Defects in Amorphous Laser-Induced Graphene for Direct Nitrate-to-Ammonia Electroreduction。