探索具有良好氧還原活性、穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑對于減少貴金屬在可持續(xù)能源技術(shù)研究中的消耗至關(guān)重要。近年來，單原子Fe錨定在N摻雜碳(Fe-Nx/C)上的催化劑因具有最大的原子利用率和較高的本征活性而受到廣泛關(guān)注。Fe摻雜的鋅基有機金屬框架結(jié)構(gòu)（ZIF）材料在高溫熱解過程中會形成多孔碳載體負載的Fe-Nx活性中心，因此ZIF材料被認為是合成Fe-Nx/C催化劑(x主要為4)的合適前驅(qū)體。然而，現(xiàn)階段在合成ZIF前驅(qū)體及衍生獲得Fe-Nx/C單原子催化劑時通常需要用到有毒溶劑（如DMF、甲醇）和強酸清洗，對環(huán)境危害較大且極大地限制了過渡金屬單原子催化劑的規(guī)?；铣珊瓦M一步的實際應用。因此，開發(fā)制備工藝簡單、避免使用有毒及強酸堿試劑的綠色方法合成高效、穩(wěn)定的單原子催化劑對于新一代燃料電池的發(fā)展具有重要意義。
圖1 Fe-Nx/C的合成路徑以及電鏡表征圖
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，在利用可循環(huán)再生的生物質(zhì)制備Fe1單原子(Carbon, 2020, 157, 614-621. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.10.054.)和Fe1Pt1雙單原子(ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9, 1, 189–196. DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c06558.)的基礎(chǔ)上，又開發(fā)出了一種步驟簡單、過程環(huán)保的合成方法用來制備具有氮摻雜的多孔碳納米棒負載的Fe單原子催化劑（圖1a）。該方法實現(xiàn)了在水系中合成具有Fe均勻摻雜的金屬有機框架材料前驅(qū)體，后續(xù)經(jīng)過一步高溫熱解，在不需要經(jīng)過酸洗處理的情況下即可獲得高度均勻分散的Fe單原子催化劑。所合成的催化劑電鏡表征見圖1(b-i)。該催化劑展現(xiàn)了優(yōu)良的氧還原催化活性和長時間穩(wěn)定性。在堿性介質(zhì)中，其起始電位和半波電位比商業(yè)Pt/C催化劑分別高出了30 mV和60 mV。經(jīng)過20小時的穩(wěn)定性測試，商業(yè)Pt/C催化劑損失達到了53%而所合成催化劑僅損失5%。在酸性介質(zhì)中也展現(xiàn)出了較好的催化性能。作為負極材料組裝到鋅空電池當中，實現(xiàn)了142 mW cm-2的高功率密度，比商業(yè)Pt/C電池高出了近58 mW cm-2，并優(yōu)于大多數(shù)已經(jīng)報道的過渡金屬單原子催化劑。該研究工作為簡單、綠色地合成氮摻雜碳負載Fe單原子電催化劑提供了一種有效途徑。相關(guān)成果近期發(fā)表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》雜志上（ACS Sustainable Chem. Eng. 2021, 9, 137-146）。
上述研究獲得大連清潔能源國家實驗室和中國科學院科研創(chuàng)新基金，青島創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才基金，大連化物所-青島能源所兩所融合項目基金以及中科院綠色過程制造創(chuàng)新研究院項目基金的支持。
