Advanced Materials:模板法制备蜂窝状氮掺杂碳薄膜负载单原子催化剂

能源是环境可持续发展与人类社会经济、人类文明进步最重要最根本的部分,为解决传统能源紧缺及使用带来的环境污染问题,推动能源转型及发展可再生能源是全球社会发展面临的重大挑战。以燃料电池和金属空气电池为代表的新能源转换技术是未来能源体系的基石。氧还原反应(ORR)是这类能量转化装置中的一个关键步骤, ORR电催化剂的性能决定了该类装置的能量转化效率。为降低催化金属使用量、提高催化剂的本征活性,将具有催化活性的金属原子单分散地负载在催化剂载体上,已成为合成高效电催化剂的一种有效途径。目前单原子制备方法仍然有很大的发展空间,其中发展一种普适性载体实现单原子催化剂的稳定负载来获得高性能的电催化剂仍然是个巨大的挑战。

针对该挑战,中国科学院长春应用化学研究所汪尔康院士团队李敬研究员联合香港理工大学黄勃龙教授通过一种简单的氯化钠模板法制备了系列负载在蜂窝状氮掺杂碳薄膜基底上的单原子催化剂(M1-HNC-T1-T2, M = Fe/Co/Ni, T1 = 500 °C, T2 = 850 °C)。材料制备过程中使用到的氯化钠模板可通过简单的水洗过程彻底除掉,两步煅烧的巧妙设计使得在进行充分氮掺杂的同时又能够保持材料的蜂窝状多孔结构,从而保证最大限度的提高材料的催化性能。相关工作发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201906905)。

研究者发现在合成的单原子催化剂中,氧气还原半波电位顺序为Fe (0.842 V) > Co (0.827 V) > Ni (0.782 V),其中单原子铁催化剂Fe1-HNC-500-850性能不仅超过了商业催化剂Pt/C (0.831 V),且具有优异的稳定性和抗甲醇毒化能力。对Fe单原子催化剂的催化机理和催化性能进行探索与研究,由于Fe-3d轨道具有优异的电子交换转移能力(ExT),使得Fe-N4活性位点区域具有明显的p-d耦合,能够有效优化空间电荷分布,在此基础上,借助类范霍夫奇点的表征形式,采用轨道峰值位点调控,有效提高了ORR的动力学速率。研究者相信,该工作不仅提供了一种简单有效制备单原子材料的普适方法,而且深入揭示了电子结构和电化学活性之间的构效关系,为未来单原子催化的设计提供了有利的合成参考和理论支持。

相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及香港研究资助局的支持。