单原子催化剂（SAC）可以提高析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)的本征催化活性。然而，由于合成过程复杂和稳定性较差，仍然存在很大挑战。这里提出了一种可持续的方法，通过激光照射合成SACs并获得介孔的氧化石墨烯(MGO)。氮掺杂MGO的表面悬挂键截取金属原子种类，并将其转化为单原子。值得注意的是，Co-NMGO电催化剂用于HER时，仅需要146 mV的低过电位来驱动10mA·cm-2电流密度。同样，Fe-NMGO电催化剂用于酸性溶液中ORR时，起始电压为0.79 V。密度泛函理论计算表明，在0.1 V下，Co-NMGO的最佳自由反应能为0.17 eV，而对于ORR，Fe-NMGO的极限电势小于Co-NMGO。这项工作为SAC的合成及其机制的理解开辟了一条新的途径。
 
 
Figure 1. GO、MGO、NMGO和Co-NMGO的结构表征。a)原始GO的TEM图像。b)激光照射后MGO的SEM图像，显示出介孔的三维结构。c）NMGO的STEM图像。d)Co-NMGO样品的STEM图像。e)Co-NMGO样品的原子分辨率ADF-STEM图像。f)Co-NMGO样品的A BF STEM图像，显示了可见的石墨烯晶格六边形环。
 
 
Figure 2. Co-NMGO 和 Fe-NMGO 样品的 STEM 图像和 EELS 表征。a) Co-NMGO的STEM 图像。b)红色圈标记的单原子的EELS 分析。c）Fe-NMGO 的STEM图像 d) 红色圈标记的单原子的EELS 分析。

 
Figure 3．HER 和 ORR催化性能。a) HER LSV 图。b) 塔菲尔图。c) Co-NMGO 样品的计时电流测量，在24小时内表现出优异的稳定性能。 d) ORR 极化曲线。 e) 塔菲尔图。f) Fe-NMGO 样品在 O2 和空气饱和状态下的 CV 曲线。g) Fe-NMGO 样品在不同旋转速度下的极化曲线，获得 K-L 图，如 图(h) 所示。i) Fe-NMGO样品的稳定性测量。
 
  
Figure 4．HER和ORR在恒定外加电势下的反应机理和吉布斯自由能计算。a–b)空衬底的俯视图和c–d) Co-NMGO和Fe-NMGO分别吸附了H *中间体的侧视图。e–f)在不同的外加电位下，对应于Co-NMGO和Fe-NMGO催化剂的HER吉布斯自由能图。g–h）ORR 途径出现的反应中间体。I–j)在不同的外加电位下计算出的ORR的自由能图。
  
       该研究工作由香港科技大学Zhengtang Luo课题组于2021年发表在Adv. Energy Mater.期刊上。原文：Laser-Irradiated Holey Graphene-Supported Single-Atom Catalyst towards Hydrogen Evolution and Oxygen Reduction。

转自《石墨烯研究》公众号