图4.7 超轻石墨烯泡沫的电催化氧还原性能测试
（a）GF电极在氮气和氧气饱和的0.1 mol·L-1 KOH溶液中的CV曲线，扫速：50 mV·s-1；（b）GF（约3μg）和商业Pt/C（约3.3μg）在氧气饱和的0.1 mol·L-1 KOH溶液中的LSV曲线，扫速：5 mV·s-1；（c）在氧气饱和的0.1 mol·L-1 KOH溶液中，GF电极在不同转速下的RDE曲线（插图为Koutecky-Lev⁃ich曲线）；（d）GF电极在1 600 r·min-1下的RRDE曲线；（e）GF电极上的过氧化氢产率；（f）在-0.3 V的电压下，GF和商业Pt/C在氧气饱和的0.1 mol·L-1 KOH溶液中对甲醇的选择性
除了以上讨论的高吸附性能和出色的电容性能以外，GF还能作为非金属催化剂应用到ORR的阴极电极材料中［14］。与传统的二维堆叠的石墨烯薄膜不同，我们所制备的GF具有独特的三维骨架结构，能够最大限度地暴露氮元素掺杂所产生的活性部位，并能提供多通道的电子传递。如图4.7（a）所示，尽管GF电极在氧气饱和的0.1 mol·L-1 KOH溶液中出现了相对大的电容背景信号，但循环伏安曲线仍然表现出了比较明显的氧气还原峰。与大多数氮掺杂的碳材料类似［14］，GF的初始电位为-0.18 V，略低于商业Pt/C催化剂。但是，GF电极在很大电压范围内（-0.8～-0.4 V）表现出比商业Pt/C还高的电流密度（图4.7（b））。图4.7（c）显示了GF在不同转速下的线性扫描伏安（linear-sweep voltammetric，LSV）曲线，其电流密度随着电极转速的增大而不断增大。如图4.7（c）的插图所示，由不同转速下的LSV推导的Koutecky-Levich曲线表现出了良好的线性关系。通过Koutecky-Levich方程计算（参见第2章2.2.6小节）可知，GF电极在ORR反应过程中的平均转移电子数（n）为3.7，这与通过RRDE曲线计算出来的电子数相类似（图4.7（d），计算公式参见第2章2.2.6小节），表明其在ORR中为四电子转移过程［14］。此外，GF电极在整个电压范围内过氧化氢的产生量低于20%，甚至在-0.8 V的电压下可以低至13%（图4.7（e））。以上结果表明，含氮的GF电极材料在碱性溶液中是一种非常有效的ORR非金属催化剂。(www.xing528.com)
同时，还考察了GF电极对染料分子甲醇的电催化选择性。如图4.7（f）所示，当加入体积分数为10%的甲醇时，GF电极的ORR阴极电流并没有受到任何影响。而商业Pt/C催化剂正好相反，其表现出了非常明显的甲醇氧化峰。通过与商业Pt/C催化剂进行比较，GF电极表现出了更出色的抗干扰能力。此外，GF电极在ORR中还具有非常好的稳定性。如图4.8所示，在电压范围为-0.8～0.2 V的氧气饱和0.1 mol·L-1 KOH电解液中，经过连续两天的循环扫描，GF电极没有明显的电流减小，意味着该电极具有相对稳定的催化活性。
图4.8 GF电极在氧气饱和的0.1 mol·L-1 KOH溶液中的循环稳定性，扫速：50 mV·s-1
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