金属-空气电池的进步很大程度上依赖于氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的高效双功能催化剂的开发。在此，利用密度泛函理论计算研究了Co@N₄掺杂碳纳米管（Co@N₄CNTs）作为双功能催化剂的潜在应用。我们通过分析能量、键长、进行从头算分子动力学模拟以及检查态密度来探索 Co@N₄CNT 的稳定性和电子特性。值得注意的是，纳米管的直径对Co@N4CNT的催化性能有显着影响。当从 (4, 4) 过渡到 (24, 4) Co@N4CNT 时，催化活性显着提高 54%，且 η^Bi 从 1.40 V 变为 0.64 V。有几种具有低过电势的特殊催化剂，包括 (18, 4) )、(22, 4) 和 (24, 4) Co@N₄CNT，其 η^Bi 值分别为 0.68、0.67 和 0.64 V。此外，将Co@N₄CNTs活性的增加与Co原子部分d轨道能量的变化联系起来，这是通过Co@N₄CNTs直径的调整来促进的。这一发现为通过改变轨道能级来驱动催化活性增强的潜在因素提供了宝贵的见解。该研究发现了几种优秀的催化剂，并为金属-空气电池高效催化剂的设计和开发提供了宝贵的见解。
  
Fig 1. 14×4 石墨烯的侧视图和俯视图 (a)。碳纳米管的顶视图 (b) 和侧视图 (c)。 Co@N₄ 掺杂的 14×4 石墨烯的侧视图和俯视图 (d)。 Co@N₄CNT 的顶视图 (e) 和侧视图 (f)。
  
Fig 2. CNTs (a) 和 Co@N₄CNTs (b) 的应变能随着 m 的增加而变化。 CNT 中的 C-C 平均键长（c）和 Co@N₄CNTs 中的 Co-O 平均键长（d）随着 m 的增加而变化。
    
Fig 3. 不同直径Co@N₄CNT的态密度（DOS）和部分态密度。费米能级设置为零。
   
Fig 4. 不同直径Co@N₄CNTs上ORR/OER催化反应吉布斯自由能的变化。施加电压 U = 0 V。
   
Fig 5. 不同直径Co@N4CNTs上的ηBi过电势(a)。 ΔG_*O 作为 ΔG_*OH 的函数 (b)。 EOH 是 Co@N₄CNT 中 Co 原子 d 能带中心之间的线性关系 (c)。 ΔG_*OH 是 Co@N₄CNTs (d) m 的函数。 η^Bi 是 Co@N₄CNTs 的 m 的函数 (e)。
   
Fig 6. 不同催化中间体和催化剂表面的电荷密度差异(a)。与催化中间体结合的 Co 原子 d 电子亚轨道的分子轨道示意图 (b)。不同管径中催化剂与 OH 结合的 COHP (c)。
    
Fig 7. O₂ 和 H 的吸附 (a)。不同直径的Co@N₄CNTs上HER催化反应的吉布斯自由能变化(b)。
 
       相关研究工作由香港城市大学Jun Fan 课题组用于2023年在线发表在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊上，Curvature effects regulate the catalytic activity of Co@N₄-doped carbon nanotubes as bifunctional ORR/OER catalysts。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.10.115

转自《石墨烯研究》公众号