單原子催化劑（SAC）可以提高析氫反應(HER)和氧還原反應(ORR)的本征催化活性。然而，由于合成過程復雜和穩定性較差，仍然存在很大挑戰。這里提出了一種可持續的方法，通過激光照射合成SACs并獲得介孔的氧化石墨烯(MGO)。氮摻雜MGO的表面懸掛鍵截取金屬原子種類，并將其轉化為單原子。值得注意的是，Co-NMGO電催化劑用于HER時，僅需要146 mV的低過電位來驅動10mA·cm-2電流密度。同樣，Fe-NMGO電催化劑用于酸性溶液中ORR時，起始電壓為0.79 V。密度泛函理論計算表明，在0.1 V下，Co-NMGO的最佳自由反應能為0.17 eV，而對于ORR，Fe-NMGO的極限電勢小于Co-NMGO。這項工作為SAC的合成及其機制的理解開辟了一條新的途徑。
Figure 1. GO、MGO、NMGO和Co-NMGO的結構表征。a)原始GO的TEM圖像。b)激光照射后MGO的SEM圖像，顯示出介孔的三維結構。c）NMGO的STEM圖像。d)Co-NMGO樣品的STEM圖像。e)Co-NMGO樣品的原子分辨率ADF-STEM圖像。f)Co-NMGO樣品的A BF STEM圖像，顯示了可見的石墨烯晶格六邊形環。
Figure 2. Co-NMGO 和 Fe-NMGO 樣品的 STEM 圖像和 EELS 表征。a) Co-NMGO的STEM 圖像。b)紅色圈標記的單原子的EELS 分析。c）Fe-NMGO 的STEM圖像 d) 紅色圈標記的單原子的EELS 分析。
Figure 3．HER 和 ORR催化性能。a) HER LSV 圖。b) 塔菲爾圖。c) Co-NMGO 樣品的計時電流測量，在24小時內表現出優異的穩定性能。 d) ORR 極化曲線。 e) 塔菲爾圖。f) Fe-NMGO 樣品在 O2 和空氣飽和狀態下的 CV 曲線。g) Fe-NMGO 樣品在不同旋轉速度下的極化曲線，獲得 K-L 圖，如 圖(h) 所示。i) Fe-NMGO樣品的穩定性測量。
Figure 4．HER和ORR在恒定外加電勢下的反應機理和吉布斯自由能計算。a–b)空襯底的俯視圖和c–d) Co-NMGO和Fe-NMGO分別吸附了H *中間體的側視圖。e–f)在不同的外加電位下，對應于Co-NMGO和Fe-NMGO催化劑的HER吉布斯自由能圖。g–h）ORR 途徑出現的反應中間體。I–j)在不同的外加電位下計算出的ORR的自由能圖。
該研究工作由香港科技大學Zhengtang Luo課題組于2021年發表在Adv. Energy Mater.期刊上。原文：Laser-Irradiated Holey Graphene-Supported Single-Atom Catalyst towards Hydrogen Evolution and Oxygen Reduction。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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