單原子催化劑因?yàn)榻?00%的金屬原子利用率和兼具高活性、高選擇性等突出優(yōu)點(diǎn)，在均相催化和多相催化領(lǐng)域均展現(xiàn)出重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。其中，呈原子態(tài)分散的Fe-N-C催化劑材料由于具有優(yōu)異的氧還原反應(yīng)（Oxygen Reduction Reaction, ORR）催化性能，是一類最具潛力代替鉑/碳（Pt/C）的非貴金屬催化劑。然而，現(xiàn)階段報(bào)道的制備Fe單原子催化劑的方法主要是：采用富含氮和可以絡(luò)合鐵鹽有機(jī)官能團(tuán)的大分子或化合物來絡(luò)合高純鐵鹽，后續(xù)通過熱解、酸洗獲得不同載量、性能各異的Fe單原子催化劑。但是，現(xiàn)如今可以采用的大分子或者化合物往往制備工藝復(fù)雜，成本高昂且很多具有一定毒性，嚴(yán)重限制了Fe單原子催化劑的發(fā)展和進(jìn)一步的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。
針對(duì)上述科學(xué)難題，近日，青島能源所梁漢璞研究員帶領(lǐng)的能源材料與納米催化研究組開發(fā)出一種價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單環(huán)保且適宜放大生產(chǎn)的Fe單原子催化劑制備策略。該策略以具有富鐵和超強(qiáng)吸水性特性的可再生生物質(zhì)木耳為碳、氮和鐵源，無(wú)需額外人工添加任何Fe鹽，僅利用自身毛細(xì)管吸附作用吸附含氮溶液進(jìn)行有效的氮含量提升，即可獲得以Fe-N4為活性中心的高效Fe單原子催化劑(Fe-ISA/NC)。
圖1 Fe-ISA/NC催化劑的TEM，HRTEM，AC HAADF-STEM和元素分布圖。
研究獲得的催化劑碳基體含有豐富的微、介孔，比表面積超過1100 m2 g-1，超過很多人工合成的多孔碳基體。其中的氮含量超過3 at.%且以吡咯氮為主，形成了豐富的Fe-N4活性中心，展現(xiàn)出了優(yōu)異的ORR催化性能。在0.1 M KOH電解液中的ORR半波電位達(dá)到了0.89 V (相對(duì)于可逆氫電極，vs. RHE)，顯著優(yōu)于商業(yè)貴金屬Pt/C催化劑。同時(shí)，該催化劑在0.1 M HClO4電解液中的ORR半波電位也達(dá)到了0.78 V vs. RHE，展現(xiàn)出了優(yōu)于大部分過渡金屬催化劑的催化性能。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國(guó)際著名期刊Carbon (2020, 157, 614-621. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.10.054.)
圖2 Fe-ISA/NC催化劑的XAFS表征及結(jié)構(gòu)模型。
圖3 Fe-ISA/NC催化劑在堿性溶液中氧還原催化性能評(píng)價(jià)。
本研究成果對(duì)于Fe單原子催化劑材料催化性能的提升、制備成本的降低以及實(shí)際應(yīng)用的推廣具有重要的促進(jìn)作用，同時(shí)展示了以可再生生物質(zhì)為原料，在未進(jìn)行任何金屬添加的情況下直接衍生制備高效非貴金屬單原子催化劑的可行性。
上述研究獲得青島能源所科研創(chuàng)新基金、兩所融合基金等項(xiàng)目的支持。（文/圖 王西龍 劉穎杰）
相關(guān)發(fā)表論文和專利鏈接：
1. Xilong Wang, Jian Du, Qinghua Zhang, Lin Gu, Lijuan Cao, Han-PuLiang, * In situ synthesis of sustainable highly efficient single iron atoms anchored on nitrogen doped carbon derived from renewable biomass, Carbon, 2020, 157, 614-621. (https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.10.054)
2. 一種高效生物質(zhì)碳電化學(xué)氧還原催化劑及其制備方法和應(yīng)用，中國(guó)，發(fā)明專利，授權(quán)專利號(hào)：201810140565.8.
