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無金屬碳基材料被認為是貴金屬Pt基電催化劑最有前途的替代品之一。然而，雜原子調制碳的電催化活性很少達到金屬基電催化劑的水平。

基于此，中南大學田忠良教授，倫敦大學學院何冠杰博士（共同通訊作者）等人報道了富含電子的碳和碳空位附近豐富的吡啶氮修飾的碳納米片（E-NC-V），并將其作為載體來促進高效的氧還原反應（ORR）。

為了進一步探索ORR活性的起源，作者建立了具有不同缺陷密度和富電子材料的模型（E-NC-V、NC-V和L-NC-V），并通過DFT計算研究了4e^– ORR路徑。分波態密度圖（PDOS）表明，和L-NC-V和NC-V相比，E-NC-V中有更多的電子從C位點轉移到O₂分子上，具有較強的成鍵強度，從而充分激活O₂。

本文進一步研究了ORR的自由能圖，E-NC-V、NC-V和L-NC-V的極限電位分別為1.13、1.24和1.4 V，這表明缺陷密度和吡啶氮含量提高了ORR活性。

碳空位附近的富吡啶氮結構與富電子碳協同作用，促進了|ΔG_O*|的急劇降低，導致氧中間體的平衡吸附和解離，從而激活了O=O，這可歸因于豐富的空位和Zn與N/C之間的d-p軌道雜化。

Potent Charge-Trapping for Boosted Electrocatalytic Oxygen Reduction. Adv. Energy Mater., 2023.

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