單原子催化劑因其具有豐富的活性位點和超高的原子利用率獲得了廣泛的研究。然而，利用現(xiàn)有報道的原子層沉積、浸漬吸附和光沉積等策略合成的單原子催化劑，存在金屬原子分散性差、金屬與載體之間的相互作用弱等問題，從而限制了單原子催化劑的氧還原催化性能。
圖1. Fe1/NC的合成示意圖和結構表征圖
近期，青島能源所梁漢璞研究員帶領的能源材料與納米催化研究組通過一種簡單的隔離錨定策略，制備了多孔氮摻雜碳負載的鐵單原子催化劑（Fe1/NC，圖1）。該方法利用D-葡萄糖、葡萄糖酸鋅和組氨酸來分散和錨定鐵原子。首先，通過組氨酸的咪唑基團螯合Fe3+，實現(xiàn)金屬原子的初步錨定。其次，在水熱過程中，含有大量羥基的D-葡萄糖和葡萄糖酸鋅會在高溫高壓環(huán)境下與組氨酸中的羧基發(fā)生反應，進一步分散金屬原子。最后，通過高溫熱解去除鋅和多余有機物后，即可得具有豐富孔結構的Fe1/NC催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，與商業(yè)Pt/C催化劑和大多數(shù)報道的鐵單原子催化劑相比，通過該策略制備的Fe1/NC催化劑在堿性和酸性溶液中均表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原催化性能，其具有較高的活性、較強的甲醇耐受性和良好的穩(wěn)定性。更重要的是，用Fe1/NC組裝的鋅空氣電池具有較高的功率密度(164 mW cm 2)，較大的放電比容量為769.0 mA h gZn 1，以及超過300 h的優(yōu)異穩(wěn)定性。這項工作對制備高效、穩(wěn)定的金屬-空氣電池氧還原催化劑具有重要的意義。
該團隊前期工作取得了系列進展，以可循環(huán)再生的生物質為載體制備了Fe-N-C（Carbon, 2020, 157, 614-621.）和Fe1Pt1/NC催化劑（ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9, 1, 189-196.），利用金屬框架聚合物與金屬離子的強相互作用實現(xiàn)了Fe單原子在碳載體上的均勻分散（ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9, 1, 137-146.），通過有機弱酸鹽輔助熱解策略構筑了高效穩(wěn)定的Fe-N-C單原子材料（Carbon, 2022, 191, 393-402.）。
相關研究成果近期發(fā)表在Carbon《碳》上。青島能源所的博士生曹莉娟和時曉玥博士為該論文第一作者，通訊作者為梁漢璞研究員和中國科學院高能物理研究所的鄭黎榮研究員。上述工作得到了青島創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領軍人才基金，大連化物所-青島能源所兩所融合項目基金以及中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金的支持。
Lijuan Cao, Xiaoyue Shi, Yadong Li, Xilong Wang, Lirong Zheng*, Han-Pu Liang*. Isolation anchoring strategy for in situ synthesis of iron single-atom catalysts towards long-term rechargeable zinc-air battery. Carbon, 2022.
