SmartMat :高性能Fe-N-C氧还原电催化剂的调控:从本征活性位点和活性位点密度出发

文章简介

聚合物电解质燃料电池(PEFCs),具有高的能量密度和能量转换效率,是一种非常有前景的清洁能源转换技术。目前,PEFCs中因阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢,需要使用大量的商业化Pt基催化剂,从而制约了燃料电池的大规模商业化应用。因此,发展廉价的非贵金属催化剂具有重要意义。近年来,研究者发现具有类卟啉结构的铁单原子催化剂(Fe-N-C),类似于生物体系中的铁卟啉,在电催化ORR中也展现出高活性(碱性电解质中性能优于Pt/C;酸性电解质中性能接近Pt/C)。中科院理化技术研究所张铁锐研究员和奥克兰大学Geoffrey I.N. Waterhouse副教授在SmartMat上发表综述题为:“Engineering localcoordination environments and site densities for high‐performance Fe‐N‐C oxygen reduction reactionelectrocatalysis”。该综述从调节铁单原子的本征活性和其可利用的活性位点密度出发,分别讨论了铁单原子的配位环境对其ORR活性的影响,以及碳载体孔结构对于铁单原子位点的利用率以及ORR过程中传质的影响。最后,作者基于发展高活性铁单原子催化剂提出了以下发展方向:1)结构均一的铁单原子的制备及其精细表征;2)电催化中可利用的铁单原子位点的提高;3)铁单原子催化剂在真实燃料电池中活性和稳定性的提升。


图文导读

图1.不同MN4催化剂中金属的氧化还原电势(MIII/MII)、金属中心对O2的吸附能以及ORR活性的联系。

图2.FeN4位点的XAS解析。

图3.FeN4位点的不同构型,例如:体相/边缘的FeN4位点,平面内/凸出的FeN4位点。

图4.P-dopedand/or S-doped Fe-N-C催化剂。

图5.Fe-Co和FeMn双原子催化剂。

图6.FeN4位点的定量检测。

图7.ZIF前驱体的尺寸和孔径对Fe-N-C催化剂ORR性能的影响。

图8.介孔SiO2包覆的ZIF前驱体煅烧得到的Fe-N-C催化剂外比表面积提高,ORR性能提高。

图9.CVD制备高密度铁单原子催化剂。

作者简介图片

王青,中科院理化所硕士,导师为张铁锐研究员;奥克兰大学博士,导师为GeoffreyI.N. Waterhouse副教授。研究领域为非金属电催化剂用于燃料电池和锌空气电池。
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张铁锐研究员,中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师,中国科学院光化学转化与功能材料重点实验室主任。

吉林大学化学学士,吉林大学有机化学博士。之后,在德国、加拿大和美国进行博士后研究。2009年底回国受聘于中国科学院理化技术研究所。主要从事能量转换纳米催化材料方面的研究,在Nat.Commun.,Adv.Mater.,Angew.Chem. Int. Ed.,JACS,Chem.Soc. Rev.等期刊上发表SCI论文200余篇,被引用17000多次,H指数71,并入选2018、2019、2020科睿唯安“全球高被引科学家”;申请国家发明专利42项(已授权31项),在国际会议上做特邀报告40余次。2017年当选英国皇家化学会会士。曾获得:皇家学会高级牛顿学者、德国“洪堡”学者基金、国家基金委“杰青”、国家“万人计划”科技创新领军人才等资助、以及太阳能光化学与光催化领域优秀青年奖等奖项。兼任ScienceBulletin副主编以及AdvancedEnergy Materials、Advanced Science、ScientificReports、MaterialsChemistry Frontiers、ChemPhysChem、SolarRRL、CarbonEnergy、Innovation、SmartMat等期刊编委。现任中国材料研究学会青年工作委员会-常委,中国感光学会光催化专业委员会-副主任委员、中国化学会青年工作者委员会-委员等学术职务。
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Geoffrey I.N. Waterhouse, 新西兰奥克兰大学副教授,新西兰化学学会和英国皇家化学学会的fellow。目前,他任the MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology(新西兰研究中心)能源领域的带头人,以及华南理工大学和山东农业大学的客座教授。他的研究领域包括太阳能储能、光催化剂、光伏材料以及生物传感器。