​Small：高活性和稳定性的石墨烯基双功能催化剂实现高效析氢和析氧

电催化剂是一种新兴的高效能源转换和存储装置材料，可以有效的应对日益增长的能源需求所带来的资源枯竭问题，其中具有高氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)活性的电催化剂对各种能源装置具有重要意义。

迄今为止，过渡金属-氮-碳(M-NC)已被广泛报道为Pt/C(ORR)和IrO₂(OER)的替代催化剂，但在M-NC的应用过程中却存在着不可避免的碳腐蚀反应(CCR)。此时，具有特殊的化学和物理性质的石墨烯吸引了研究人员的目光，其非常适合用于耐腐蚀应用。

然而，石墨烯层之间的π-π堆积会抑制分析物的进入而降低催化效果，因此需要一种更有效的合成策略来控制碳材料的表面积，同时保持其高稳定性。

基于此，韩国蔚山国家科学技术研究所Ji-Hyun Jang等人通过简单的石墨化工艺制备了具有高催化性能和良好稳定性的碳基催化剂(3d-GMC)，该催化剂具有优异的ORR、OER性能和稳定性。

本文首先使用旋转圆盘电极(RDE)在碱性电解质(0.1和1 M KOH)中研究了每种催化剂的ORR性能。测试后发现，与M/C(794 mV；124 mV dec^-1)催化剂相比，3d-GMC的催化活性显著提高，表现出了更高的起始电位(947 mV)和较低的Tafel斜率(84 mV dec^-1)。由于活性较高的活性位点分布均匀，3d-GMC的电催化性能甚至可以与商业Pt/C催化剂相媲美。

此外，3d-GMC仅需要较小的电压(1.65 V)就能达到10 mA cm^-2的OER电流密度，以及具有41 mV dec^-1的低Tafel斜率，这优于M/C(过电位0.39 V@1.3 mA cm^-2；101 mV dec^-1)。

本文还将3d-GMC的OER稳定性与M/C和商业Ir/C进行了比较。对于M/C，IV曲线显示出由于碳腐蚀导致的金属氧化峰，这使得其OER稳定性较低。

此外，虽然商业Ir/C表现出良好的动力学性能，但在50次循环后性能大大降低，这同样是由于碳腐蚀导致的不稳定性。与二者不同的是，由于3d-GMC的高结晶性和富含石墨烯基面的结构在OER过程中具有很强的抗腐蚀性，因此3d-GMC在不降解的情况下获得了良好的动力学性能和良好的稳定性。之后，本文通过比较3d-GMC的ORR和OER的LSV曲线还发现，3d-GMC同时具有优异的ΔE(评价催化剂双功能性能的参数，0.62 V)。结合上述结果可以发现，本文制备的3d-GMC催化剂具有优异的双功能性能。

综上所述，本文以过渡金属配位的阴离子明胶水凝胶为原料，采用高效的一步热处理工艺，制备了一种新型高活性、高稳定性的石墨烯基双功能(ORR和OER)催化剂。本文制备的催化剂的催化性能优异的主要原因是有效的利用了三维结构优势(包括大的表面积和结构稳定性)以及各种金属合金。

首先，本文的冻干明胶衍生的氮掺杂三维碳网络与金属合金的结构为电解质提供了较高的可及性进而提升了催化剂的催化活性。其次，高结晶的石墨烯防止了过渡金属/碳基催化剂中常见的氧化反应和碳腐蚀。本文的测试结果表明，优化后的3d-GMC的确展现出了优异的ORR/OER性能和长期循环稳定性。总之，本文的研究结果提供了一类新的理想的电催化剂，并提出了一种推动能量转换和能量存储装置发展的新设计策略。

Graphene-Encapsulated Bifunctional Catalysts with High Activity and Durability for Zn-Air Battery, Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202300551.

https://doi.org/10.1002/smll.202300551.