基于锌单原子的高效氧还原电催化剂

AFM-xuweilin在能源催化研究得如火如荼的今天,燃料电池作为新型的绿色能源得到了广泛关注,但由于其阴极催化剂反应动力学过程缓慢,且中间产物H2O2阻碍了阴极催化剂的催化效率。目前来讲,最主要的阴极催化剂还是商业碳载铂,但是由于其Pt基催化剂价格昂贵,稳定性差,且易CO中毒,所以急需开发价格低廉的非铂基阴极催化剂。

中国科学院长春应用化学研究所徐维林课题组和中国科学院上海应用物理研究所姜政课题组以及中国科学院物理所谷林课题组合作,基于廉价的炭黑和锌前驱体,制备了廉价的锌基氧还原电催化剂,该催化剂展现出可以与商业碳载铂相媲美的氧还原性能,并具有很好的稳定性。高精度的扫描透射电镜HRTEM和高角环形暗场扫描隧道显微镜HAADF-STEM证实该锌基催化剂中的锌是以单原子形式存在,而扩展的X-射线吸收近边谱EXAFS表征手段证实单原子锌的存在方式为Zn-N4,理论计算进一步证实该高效的催化活性来源于Zn-N4活性结构,其活性高于其他氮掺杂结构的活性。通过研究该类单原子锌基催化剂的反应机理,发现O原子中间体的吸附是该反应中的决速步骤。

这项工作最近在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201700802)上发表,这是首次报道高性能单原子锌基氧还原电催化剂,为目前寻找廉价高效的燃料电池阴极电催化剂提供一条新的途径和思路。

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