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磷化工团队在Angew上发表层次孔结构单原子催化剂研究成果

邃瞳科学云 · 公众号 · · 2024-10-12 09:43

正文

燃料电池因其高能量密度和环境友好等优点，在便携式电动汽车和电子设备等领域展现出良好的应用潜力。然而，其规模化应用面临着催化剂成本高、活性和耐久性不足等关键瓶颈问题。因此，急需开展对高效、稳定且低成本催化剂的研究。

非贵金属单原子 Fe-N/C 催化剂是当前最有前景的燃料电池催化剂之一，其活性位点为平面 Fe-N ₄ 配位结构。金属有机框架 ZIF-8 材料的配位结构与 Fe-N/C 的活性位点高度相似，因此被认为是合成高活性 Fe-N/C 材料的最有效前驱体。然而，目前的 ZIF-8 衍生 Fe-N/C 催化剂主要为微孔材料，导致其在燃料电池中的传质受到限制，从而影响了电池性能。此外，平面 Fe-N ₄ 配位结构的本征活性仍需进一步提升。为此，本研究提出了一种 ZnO 辅助策略，通过棒状 ZnO 的水解产生的 Zn ²⁺ 与 2- 甲基咪唑之间的自组装反应，制备氯化血红素修饰的 ZIF-8 薄膜，随后通过热解获得中空管状 Fe-N/C 材料（ FeSA-N/TC ）。该材料的管壁富含层次介孔和微孔，且 Fe-N ₄ 活性位点被锚定在小尺寸的纳米孔内部，形成弯曲应力，从而提升催化的本征活性。因此， FeSA-N/TC 在氧还原反应中表现出优异的性能，在碱性条件下半波电位可达 0.925 V ，而在酸性介质中可达 0.825 V 。作为阴极催化剂应用于质子交换膜燃料电池（ PEMFC ）和锌空气电池（ ZAB ），其电池功率密度也表现出极高的值（氢氧 PEMFC ： 1100 mW cm ^-2 ，氢空气 PEMFC ： 715 mW cm ^-2 ，液态 ZAB ： 228 mW cm ^-2 ，固态 ZAB ： 112 mW cm ^-2 ）。此外，利用原位变温高能 XRD 和 DFT 理论计算揭示了催化剂的合成机制及其电催化氧还原反应的机理。本研究为能源器件中高性能催化剂的设计、制备及其催化机制的研究提供了新的指导。

图 FeSA-N/TC催化剂的制备及形貌结构表征

上述研究以“ Meso/Microporous Single-Atom Catalysts with Curved Fe-N4 sites Boost the Oxygen Reduction Reaction Activity ”为题，发表在材料科学领域权威 Top 期刊《 Angewandte Chemie International Edition 》上。论文的第一作者为昆明理工大学化学工程学院 202 2 级硕士研究生余颖，通讯作者为化学工程学院冯东副教授、李金成副教授和香港科技大学邵敏华教授。该研究工作得到了国家自然科学基金（ 52102046 ）、云南省优青（ 202301AW070016 ）及云南省应用基础研究基金（ 202201AU070113 ）的资助。

论文链接： https://doi.org/10.1002/anie.202415691

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