控制合成具有单一Fe-N4活性位点的氧还原催化剂

【研究背景】

质子交换膜燃料电池高效的能源转化效率、低污染、燃料的多元性以及模块化设计等优点使其具有广阔的应用前景。目前阻碍燃料电池商业化应用的一个重要因素是其阴极氧还原反应（ORR）需要贵金属铂（Pt）来催化。很明显，我们应该开发更加廉价、高效和稳定的ORR催化剂来加速燃料电池的商业化应用。当前发展的原子级别催化理论为研发高效的ORR催化剂提供了一种可行的途径。虽然具有原子级别ORR活性位点可以极大地提高催化剂的活性，然而诸多的问题依然存在。例如所合成的催化剂中可能包含不同类型的ORR活性位点，比如具有不同配位数的金属-非金属位点，同时催化剂中也可能含有金属团簇或者纳米颗粒，从而很难确定催化剂中真正的反应活性位点。因此控制合成具有单一活性位点的氧还原催化剂对研究其反应机理以及构性关系至关重要。

【成果介绍】

近日，澳大利亚格里菲斯大学姚向东教授课题组通过一种精准控制合成的方法制备了具有单一类型原子级别的Fe催化剂（图1A）。由于所使用的Fe源Fe卟啉是一种Fe-N4结构，同时在较低的温度下处理，使Fe卟啉除Fe-N4以外的部分碳化和活性炭基体成为一个整体而不破坏Fe-N4结构，因此所得催化剂中只含单一类型的Fe-N4活性位点。这种方法排除了所合成催化剂中具有其他Fe基活性位点的可能性，从而提供了一种可靠的方法来研究Fe-N4位点的氧还原反应活性。图1B所示的高角环形暗场像（HAADF‐STEM）揭示了所合成的具有单一活性位点的催化剂aFe@AC中Fe是以原子级别存在的，并且其分散性很好。图1C中的EXAFS R空间拟合图进一步证明了所得催化剂中每个Fe原子是和四个N原子配位形成Fe-N4位点。实验证明aFe@AC样品在酸性和碱性条件下都具有优异的ORR性能（图1D和E）。本研究为控制合成具有单一催化活性位点的电催化剂提供了一种可行的方法，进而可以设计具有更高活性的催化剂。

图1. (A) 合成单一Fe活性位点催化剂的示意图；(B) 样品aFe@AC的HAADF‐STEM图像；(C) 样品aFe@AC的EXAFS R空间拟合图，插图为其结构模型；(D) 样品在0.1 M HClO4 溶液中的ORR性能；(E) 样品aFe@AC和商业Pt/C 在0.1 M KOH溶液中的ORR性能。

相关论文信息

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论文标题：

Controllable Synthesis of Fe-N4 Species for Acidic Oxygen Reduction

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.47

DOI:10.1002/cey2.47

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https://onlinelibrary.wiley.com/journal/26379368

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