Selective nitrogen doping in graphene; Enhanced catalytic activity for the oxygen reduction reaction

グラフェンへの窒素の選択的ドーピング; 酸素還元触媒活性の増強

Wang, X.*; Hou, Z.*; 池田 隆司; Huang, S.-F.*; 寺倉 清之*; Boero, M.*; 尾嶋 正治*; 柿本 雅明*; 宮田 清蔵*

Wang, X.*; Hou, Z.*; Ikeda, Takashi; Huang, S.-F.*; Terakura, Kiyoyuki*; Boero, M.*; Oshima, Masaharu*; Kakimoto, Masaaki*; Miyata, Seizo*

窒素がドープされたジグザググラフェンリボンの構造及び電子的性質を端の炭素の終端を1水素と2水素の比率をさまざまに変えて密度汎関数により調べた。われわれの以前の仕事で触媒活性に重要な役割を持つと主張した端の隣のグラファイト状窒素の安定性は2水素終端された炭素の割合が増えるにつれて増大することがわかった。さらに、2水素終端された端の炭素は室温で酸素が存在する条件下では容易に1水素終端に変わることがわかった。われわれの結果をもとに、端の炭素の終端の水素化の程度をコントロールすることにより窒素ドープグラフェンの酸素還元触媒活性が増強できることを提案する。また本研究でわれわれが対象とした窒素のX線吸収スペクトルと発光スペクトルにおける特徴も示す。

The structural and electronic properties of N-doped zigzag graphene ribbons with various ratios of di- to monohydrogenated edge carbons are investigated within the density functional theory framework. We find that the stability of graphitic N next to the edge, which is claimed to play important roles in the catalytic activity in our previous work, will be enhanced with increasing the concentration of di-hydrogenated carbons. Furthermore, the di-hydrogenated edge carbons turn out to be easily converted into mono-hydrogenated ones in the presence of oxygen molecules at room temperature. Based on our results, we propose a possible way to enhance the oxygen reduction catalytic activity of N-doped graphene by controlling the degrees of hydrogenation of edge carbons. The characteristic features in the X-ray absorption and emission spectra for each specific N site considered here will also be given.