含有缺陷的碳最近被認為是貴金屬電催化劑最有希望的替代品之一。然而，碳缺陷的原子結構調整，特別是在調節缺陷密度以最大化活性位點方面仍然具有挑戰。

近日，吉林大學姚向東和天津理工大學趙炯鵬等報告了一種界面自腐蝕策略，通過對ZnO量子點的一系列熱氧化還原反應來控制碳原子的去除和重建，并在衍生的多孔碳中形成CO作為氧還原的有效活性位點，使得其為在堿和酸中均表現出色的催化劑。

研究人員首先通過有限元法(FEM)分析進行了概念驗證研究。具體來說，通過不同的載氣開度角和流速模擬了CO₂氣體在碳腔內的自由擴散狀態和轉變程度(從CO₂到CO)，結果表明，CO₂的自由擴散受到碳腔的有限空間的限制，可以保證碳循環反應更加徹底和持久，以對抗碳的區域結構有序性。在實驗操作上，選擇特定的MOF作為前驅體來構建半封閉空間，以控制所形成的CO₂/CO氣體的擴散。

原位熱重-質譜分析結合拉曼光譜表明，碳腔中受限的CO₂氣體會顯著增加缺陷密度，這與堿性和酸性電解質中的ORR活性成正比(例如，在0.1 M KOH和0.1 M HClO₄中的半波電位分別為0.75 V和0.90 V)。歸一化比活度和密度泛函理論(DFT)計算進一步揭示了缺陷位點之間存在梯度“鄰近效應”(即比活度增加，ORR的理論過電位隨著缺陷位點空間距離的縮短而降低)，表明碳缺陷密度的定量控制是提高電催化活性的關鍵。

本研究中開發的方法提供了一種理想和通用的策略，可以有效地產生足夠數量的碳缺陷作為活性位點，并且超密集的缺陷位點也是通過耦合其他非金屬或金屬物質開發實用混合電催化劑的基礎，這能夠促進下一代經濟實惠的電催化劑的設計和應用。

Ultra-Dense Carbon Defects as Highly Active Sites for Oxygen Reduction Catalysis. Chem, 2022. DOI: 10.1016/j.chempr.2022.06.013