氧化还原反应详解

氧还原反应是很多领域（如燃料电池、金属-空气电池及水的净化、氧气的检测和防腐蚀方面）中能量储存和转换的关键过程。商业的金属铂或者铂的衍生物催化剂是氧还原反应中最理想的阴极材料，但是其价格比较昂贵而且是稀缺材料。因此，研究人员已经开始把注意力转向绿色、清洁的非金属催化剂。虽然具有高导电性的石墨烯本身并没有催化氧气还原的能力，但是其独特的结构通过其他功能分子或者原子的调控，使石墨烯基材成为氧还原中非常重要的催化剂材料。人们已经为此进行了大量的研究工作。

本课题组制备出了少数几层氮掺杂的石墨烯薄膜，氮/碳的原子比为4%，在碱性溶液中，氮掺杂的石墨烯薄膜表现出了优异的氧还原性能，通过计算，其为4电子转移过程并且具有较高的抗干扰能力［56］。Qiao课题组利用两步高温处理方法制备出了氮和硼原子共同掺杂的石墨烯材料（B，Ngraphene），该材料表现出了比单个杂原子掺杂的材料更好的电催化活性（图1.21），过氧化氢的产率在整个氧还原过程中都小于10%，而且其电子数为3.8，接近商业铂/碳催化剂的性能［61］。同时，他们还制备了氮和硫共掺杂的介孔石墨烯材料，同样也表现出了非常优异的氧还原性能［62］。

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图1.21　硼和氮原子共掺杂石墨烯材料的氧还原反应［61］

此外，Müllen课题组利用水热方法制备的Fe3O4纳米颗粒修饰的三维石墨烯，在氧还原领域同样表现出了优异的性能，其反应为4电子转移过程［96］。