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新疆理化所等在非贵金属氧还原催化剂研究中取得进展

化学加 · 公众号 · 化学 · 2017-09-08 17:50

正文

来源 | 新疆理化技术研究所编辑 | 化学加

导读

　作为可持续能源利用技术，燃料电池与金属-空气电池中阴极上氧气还原反应（ORR）的催化剂决定了能量转化效率以及电池成本。作为有望取代传统贵金属铂催化剂的Fe-N-C材料，因具有多相复杂的结构，所以对其活性位的定性以及定量一直是这类非贵金属催化剂研究的难题。

　　中国科学院新疆理化技术研究所胡广志研究团队与瑞典于默奥大学Thomas Wagberg研究团队以及北京大学郭少军研究团队开展合作，利用硬模板夹芯合成法成功制备了表面功能化负载Fe-N-C催化活性中心的新型ORR催化剂材料，并通过Fe前驱体含量调控优化材料表面活性位的含量，实现在碱性条件下优于商业铂碳的ORR催化性能。球差电镜面扫描结果显示元素Fe、N、C均匀分布在材料表面，通过对⁵⁷Fe的Mößbauer谱解析证明Fe只与N配位形成Fe-N结构；通过X-射线精细吸收谱（EXAFS）进一步证明Fe周围N的配位数是2，因此合成的材料活性中心主要以FeN₂存在；采用X光电子能谱有效定量了合成材料表面FeN₂含量。密度泛函计算表明，在碱性条件下，由于对中间产物O*和OH*吸附作用较弱，以及较强的电子传输能力，FeN₂结构催化ORR活性高于常规FeN₄结构。
　　C-S-C结构促进Fe-N-C活性位催化ORR反应效率

该研究工作中单一的FeN₂活性结构，为建立材料催化ORR反应的半波电位(E_1/2)与活性位数量间的数学关系提供了理想模型。结合Butler-Volmer方程，为预测此类材料的催化性能提供了理论支持与实验证明。相关成果发表在能源材料类期刊《纳米能源》（Nano Energy）上。
　　科研人员进一步通过引入杂原子硫，在Fe-N-C附近形成的C-S-C结构，由于S的电负性，降低了附近活性中心Fe的电子云密度，从而促进材料对O₂的吸附活化，进一步提高材料在酸性条件下催化ORR活性。研究结果发表在国际学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517301660
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201706602/abstract;jsessionid=FA70E372C0ABC1C7E823845B74619ED5.f04t01