Atomically Dispersed Dual Fe Centers on Nitrogen-doped Bamboo-like Carbon Nanotubes for Efficient Oxygen Reduction
原創 劉蘇莉、木士春等 NanoResearch 2021-11-12
背景介紹
探索高效、耐用的氧還原反應（ORR）電催化劑是發展鋅-空氣電池和燃料電池的必然選擇。金屬有機框架（MOFs）衍生單原子催化劑因具有Fe-Nx和吡啶-N等多個活性中心，被認為是ORR非貴金屬催化劑的理想選擇。然而，由于單原子催化劑中金屬原子負載量極低，活性中心和活性位點數量有限，阻礙了該類型催化材料在電催化中的發展和應用。為了進一步增加單原子催化劑的活性中心數量和活性位點密度，可以采用原子分散的雙活性中心策略，即考慮單個金屬原子與超小金屬團簇之間的協同催化效應。與單原子催化劑相比，原子分散的雙活性中心催化劑不僅保持了單原子位點的優勢，而且增加了活性中心，導致活性位點大量增長。此外，它還可以增加金屬-載體之間的相互作用，促進電子的快速轉移。氮摻雜碳納米管（NCNTs）具有空心/多孔結構、活性氮基團、高比表面積、缺陷和天然通道等諸多優點，可以保證其較高的電化學活性和傳質能力。因此，NCNTs可作為有效的金屬載體。然而，構建包含大量原子級均勻分散的單原子和超小金屬團簇雙活性中心催化劑仍然面臨很多困難。
研究方法
本課題組首先利用濕化學浸漬法在水溶液中合成了Fe摻雜ZIF-8納米晶（~60 nm），再經過一步熱解獲得了空心竹狀NCNTs擔載的雙Fe協同催化劑（Fe-Nx/CNTs）。該催化劑中Fe單原子和超小Fe原子團簇共存且原子級均勻分散于空心竹狀NCNTs界面。由于雙Fe活性中心、適當的Fe/N摻雜和豐富的碳缺陷，獲得的Fe-N-C催化劑表現出優于Pt/C的ORR活性和穩定性。
成果簡介
利用原子尺度的晶界工程，我們將原子分散的雙Fe中心（單Fe原子和超小Fe原子團簇）加入到竹狀NCNTs中，開發了一種具有高本征活性的ORR催化劑。利用Fe-Nx/CNTs原子界面上原子分散的雙Fe中心，制備的催化劑具有極高的ORR活性（Eonset = 1.006 V；E1/2 = 0.90 V），優于Pt/C。當用于鋅-空氣電池時，輸出的功率密度高達137 mW?cm?2，并具有良好的穩定性。該研究結果為設計高效雙金屬中心電催化劑提供了一種新方法。
圖文導讀
圖1. 具有雙鐵活性中心的Fe-N-C催化劑合成過程
圖2. 具有雙鐵活性中心的Fe-N-C ORR測試結果
圖3. 將具有雙鐵活性中心的Fe-N-C催化劑的鋅-空電池測試結果
作者簡介
劉蘇莉，南京曉莊學院教授、碩士生導師，主要從事新能源材料、燃料電池關鍵材料、電化學催化劑等相關領域的研究。以通訊作者或第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Nano Energy、J. Mater. Chem. A等國際期刊發表SCI核心論文40余篇。
木士春，武漢理工大學學科首席教授、博士生導師，目前主要從事質子交換膜燃料電池關鍵材料與核心器件、電化學產氫和碳納米材料等研究工作。已在國際權威期刊上發表250余篇高質量學術論文，申請國家發明專利近100件，其中授權70余件。
文章信息
Ligang Ma, Junlin Li, Zhiwei Zhang, Hao Yang, Xueqin Mu, Xiangyao Gu, Huihui Jin, Ding Chen, Senlin Yan*, Suli Liu* & Shichun Mu*. Atomically dispersed dual Fe centers on nitrogen-doped bamboo-like carbon nanotubes for efficient oxygen reduction. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3845-6.