金屬-空氣電池的進步很大程度上依賴于氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）的高效雙功能催化劑的開發。在此，利用密度泛函理論計算研究了Co@N
4摻雜碳納米管（Co@N
4CNTs）作為雙功能催化劑的潛在應用。我們通過分析能量、鍵長、進行從頭算分子動力學模擬以及檢查態密度來探索 Co@N
4CNT 的穩定性和電子特性。值得注意的是，納米管的直徑對Co@N4CNT的催化性能有顯著影響。當從 (4, 4) 過渡到 (24, 4) Co@N4CNT 時，催化活性顯著提高 54%，且
ηBi 從 1.40 V 變為 0.64 V。有幾種具有低過電勢的特殊催化劑，包括 (18, 4) )、(22, 4) 和 (24, 4) Co@N
4CNT，其
ηBi 值分別為 0.68、0.67 和 0.64 V。此外，將Co@N
4CNTs活性的增加與Co原子部分d軌道能量的變化聯系起來，這是通過Co@N
4CNTs直徑的調整來促進的。這一發現為通過改變軌道能級來驅動催化活性增強的潛在因素提供了寶貴的見解。該研究發現了幾種優秀的催化劑，并為金屬-空氣電池高效催化劑的設計和開發提供了寶貴的見解。
Fig 1. 14×4 石墨烯的側視圖和俯視圖 (a)。碳納米管的頂視圖 (b) 和側視圖 (c)。 Co@N
4 摻雜的 14×4 石墨烯的側視圖和俯視圖 (d)。 Co@N
4CNT 的頂視圖 (e) 和側視圖 (f)。
Fig 2. CNTs (a) 和 Co@N
4CNTs (b) 的應變能隨著 m 的增加而變化。 CNT 中的 C-C 平均鍵長（c）和 Co@N
4CNTs 中的 Co-O 平均鍵長（d）隨著 m 的增加而變化。
Fig 3. 不同直徑Co@N
4CNT的態密度（DOS）和部分態密度。費米能級設置為零。
Fig 4. 不同直徑Co@N
4CNTs上ORR/OER催化反應吉布斯自由能的變化。施加電壓 U = 0 V。
Fig 5. 不同直徑Co@N4CNTs上的ηBi過電勢(a)。 ΔG
*O 作為 ΔG
*OH 的函數 (b)。 EOH 是 Co@N
4CNT 中 Co 原子 d 能帶中心之間的線性關系 (c)。 ΔG
*OH 是 Co@N
4CNTs (d) m 的函數。
ηBi 是 Co@N
4CNTs 的 m 的函數 (e)。
Fig 6. 不同催化中間體和催化劑表面的電荷密度差異(a)。與催化中間體結合的 Co 原子 d 電子亞軌道的分子軌道示意圖 (b)。不同管徑中催化劑與 OH 結合的 COHP (c)。
Fig 7. O
2 和 H 的吸附 (a)。不同直徑的Co@N
4CNTs上HER催化反應的吉布斯自由能變化(b)。
相關研究工作由香港城市大學Jun Fan 課題組用于2023年在線發表在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊上，Curvature effects regulate the catalytic activity of Co@N
4-doped carbon nanotubes as bifunctional ORR/OER catalysts。原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.10.115
轉自《石墨烯研究》公眾號
