南开大学物理学院Ruixin Zhang等–缺陷石墨烯负载单金属原子作为氧还原反应（ORR）的高效电催化剂：第一性原理研究

近年来，制备出了掺杂在石墨烯空位缺陷上的单Pt原子，并表现出优异的氧还原反应活性和耐久性。在这里，我们选择它作为基准来寻找类似甚至更好的催化剂，进行密度泛函计算来探索五种单一的三维过渡金属(Mn, Fe, Co, Ni, Cu)掺杂在缺陷石墨烯上用于ORR的可能性。研究了相应的稳定性和ORR活度。结果表明，纯缺陷石墨烯可以作为衬底稳定所选的5种单一过渡金属。反应中间体的吸附自由能相互标度，并以此为基础得到活火山图。在所有结构中，掺杂在空位石墨烯上的Ni原子表现出最低的理论过电位，甚至优于实验中掺杂在空位石墨烯上的Pt单原子。

图1. 优化的Ni掺杂的单空位（a）、双空位（b）、边缘空位（c）石墨烯的俯视图（上）和侧视图（下）。

图2. 缺陷石墨烯上负载的单个金属原子的结合能和块状金属的相应内聚能。

图3. 在缺陷石墨烯上掺杂各种金属原子的ΔG_*OOHΔG_*O和ΔG_*OH之间的线性关系。

图4. 热力学活火山图。不同的M/DG以不同的颜色分类，每个点代表最高阶ΔG_i (极限电位)的标准平衡电位。

图5.在1.23 V时在(a) M/MV (b) M/DV (c) M/EV上与标准氢电极的ORR的吉布斯自由能图。

图6. (a) 15个缺陷石墨烯支撑的过渡金属原子d能带中心与*OH吸附自由能的关系(b)过渡金属掺杂单空位石墨烯，(c)过渡金属掺杂双空位石墨烯，(d)过渡金属掺杂石墨烯边缘空位。

相关研究成果由南开大学物理学院Ruixin Zhang等人于2023年发表在Chemical Physics (https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2023.111888)上。原文：Efficient electrocatalysts of single metal atom supported on defective graphene for oxygen reduction reaction (ORR): A first principles study。