碳基无金属电催化剂的本征缺陷研究进展

摘要

自首次报道氮掺杂碳纳米管具有优良的氧还原催化性能以来,碳基无金属材料作为贵金属基电催化剂的潜在替代品而被寄予厚望。碳骨架中普遍存在的本征缺陷位点是影响碳材料物理化学性质的重要因素。特定碳缺陷的引入可以打破原本完整的sp2碳骨架而形成局部畸变,改变邻近碳原子的电荷或自旋密度分布,进而优化催化过程反应物和中间产物的吸附/脱附,提升活性位点的催化活性。因此,在碳基材料中设计创造特定的缺陷结构成为了制备高活性电催化剂的重要研究方向。本文对近年来碳基无金属电催化剂中本征缺陷的研究进展进行了综述,归纳了碳材料中常见的3类本征缺陷(边界、空位或孔洞、拓扑畸变)的制备策略和表征手段,并深入讨论了不同类型碳缺陷的构型和电子结构与其电催化活性的内在关系。最后,我们对目前本征碳缺陷在电催化领域的研究挑战和未来前景进行了总结和展望。