原創(chuàng) 劉蘇莉、木士春等 NanoResearch 2021-11-12
背景介紹
探索高效、耐用的氧還原反應(yīng)（ORR）電催化劑是發(fā)展鋅-空氣電池和燃料電池的必然選擇。金屬有機(jī)框架（MOFs）衍生單原子催化劑因具有Fe-Nx和吡啶-N等多個(gè)活性中心，被認(rèn)為是ORR非貴金屬催化劑的理想選擇。然而，由于單原子催化劑中金屬原子負(fù)載量極低，活性中心和活性位點(diǎn)數(shù)量有限，阻礙了該類型催化材料在電催化中的發(fā)展和應(yīng)用。為了進(jìn)一步增加單原子催化劑的活性中心數(shù)量和活性位點(diǎn)密度，可以采用原子分散的雙活性中心策略，即考慮單個(gè)金屬原子與超小金屬團(tuán)簇之間的協(xié)同催化效應(yīng)。與單原子催化劑相比，原子分散的雙活性中心催化劑不僅保持了單原子位點(diǎn)的優(yōu)勢，而且增加了活性中心，導(dǎo)致活性位點(diǎn)大量增長。此外，它還可以增加金屬-載體之間的相互作用，促進(jìn)電子的快速轉(zhuǎn)移。氮摻雜碳納米管（NCNTs）具有空心/多孔結(jié)構(gòu)、活性氮基團(tuán)、高比表面積、缺陷和天然通道等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以保證其較高的電化學(xué)活性和傳質(zhì)能力。因此，NCNTs可作為有效的金屬載體。然而，構(gòu)建包含大量原子級(jí)均勻分散的單原子和超小金屬團(tuán)簇雙活性中心催化劑仍然面臨很多困難。
研究方法
本課題組首先利用濕化學(xué)浸漬法在水溶液中合成了Fe摻雜ZIF-8納米晶（~60 nm），再經(jīng)過一步熱解獲得了空心竹狀NCNTs擔(dān)載的雙Fe協(xié)同催化劑（Fe-Nx/CNTs）。該催化劑中Fe單原子和超小Fe原子團(tuán)簇共存且原子級(jí)均勻分散于空心竹狀NCNTs界面。由于雙Fe活性中心、適當(dāng)?shù)腇e/N摻雜和豐富的碳缺陷，獲得的Fe-N-C催化劑表現(xiàn)出優(yōu)于Pt/C的ORR活性和穩(wěn)定性。
成果簡介
利用原子尺度的晶界工程，我們將原子分散的雙Fe中心（單Fe原子和超小Fe原子團(tuán)簇）加入到竹狀NCNTs中，開發(fā)了一種具有高本征活性的ORR催化劑。利用Fe-Nx/CNTs原子界面上原子分散的雙Fe中心，制備的催化劑具有極高的ORR活性（Eonset = 1.006 V；E1/2 = 0.90 V），優(yōu)于Pt/C。當(dāng)用于鋅-空氣電池時(shí)，輸出的功率密度高達(dá)137 mW?cm?2，并具有良好的穩(wěn)定性。該研究結(jié)果為設(shè)計(jì)高效雙金屬中心電催化劑提供了一種新方法。
圖文導(dǎo)讀
圖1. 具有雙鐵活性中心的Fe-N-C催化劑合成過程
圖2. 具有雙鐵活性中心的Fe-N-C ORR測試結(jié)果
圖3. 將具有雙鐵活性中心的Fe-N-C催化劑的鋅-空電池測試結(jié)果
作者簡介
劉蘇莉，南京曉莊學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事新能源材料、燃料電池關(guān)鍵材料、電化學(xué)催化劑等相關(guān)領(lǐng)域的研究。以通訊作者或第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Nano Energy、J. Mater. Chem. A等國際期刊發(fā)表SCI核心論文40余篇。
木士春，武漢理工大學(xué)學(xué)科首席教授、博士生導(dǎo)師，目前主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料與核心器件、電化學(xué)產(chǎn)氫和碳納米材料等研究工作。已在國際權(quán)威期刊上發(fā)表250余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，申請國家發(fā)明專利近100件，其中授權(quán)70余件。
文章信息
Ligang Ma, Junlin Li, Zhiwei Zhang, Hao Yang, Xueqin Mu, Xiangyao Gu, Huihui Jin, Ding Chen, Senlin Yan*, Suli Liu* & Shichun Mu*. Atomically dispersed dual Fe centers on nitrogen-doped bamboo-like carbon nanotubes for efficient oxygen reduction. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3845-6.