氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能

V01．342013年4月高等学校化学学报CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIESNo．4800—805doi：10．7503／cjcu20120658氮掺杂石墨烯的制备及氧还原电催化性能李静，王贤保，杨佳，杨旭宇，万丽(湖北大学材料科学与工程学院，教育部功能材料的绿色制备与应用重点实验室，武汉430062)摘要采用两步热解法，用尿素掺杂氧化石墨烯(GO)得到N掺杂的还原氧化石墨烯(N—RGO)，通过控制反应温度，制备了具有不同电催化活性的N掺杂的还原氧化石墨烯．透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)结果显示，制得的氮掺杂石墨烯(nG)表面褶皱和重叠增加．x射线光电子能谱(XPS)证明，氮元素以吡啶N、吡咯N和石墨化的N3种形式掺杂在石墨烯中，最高摩尔分数为6．6％．通过循环伏安(CV)和旋转圆盘电极(RDE)测试了nG的电化学性能，结果表明，在酸性电解质中对氧还原(ORR)有较高的催化活性，起始电位在0．1V左右，电催化还原氧气时主要为四电子反应，且相对商用的Pt／C催化剂有更好的电化学稳定性，其中第一步热解温度为200℃制得的nG催化性能最好．关键词N掺杂石墨烯；尿素；热解；氧还原反应；电催化剂中图分类号0613；0646文献标志码A石墨烯是碳原子以sp2杂化呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体¨J，其表现出优异的电学、光学、热和机械性能旧～．通过化学∞'刊或者物理方法‘8o将石墨烯进行修饰或改性可以改善石墨烯的性质，拓宽石墨烯的应用领域一“1I．其中，化学掺杂是调整和研究石墨烯性质的一种非常重要且有效的途径¨2“4|．石墨烯中掺杂其它化学元素可以调整其电子学性能和拓宽能隙，其中硼(B)和氮(N)是研究最多的碳材料的掺杂元素，分别为P型和n型掺杂¨卜17o．Yu等。18。研究了B和N在石墨烯中掺杂位置对其电子特性的影响，Panchakarla等¨9。则采用不同方法合成了B和N掺杂的石墨烯．掺杂的N原子会影响c原子的自旋密度和电荷分布，导致石墨烯表面产生“活性位点”f20I．这些活性位点可以直接参与催化反应，如氧还原(ORR)和固定金属纳米粒子反应．此外，N原子掺杂在单层石墨烯中，其费米能级移动到狄拉克点之上旧l，22I，费米能级附近的态密度被抑制心3，川，进而打开导带和价带之间的禁带，使其可以应用在半导体器件中，Wang