【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】氧還原反應(ORR)是系列電化學能量轉(zhuǎn)換器件(如金屬-空氣電池、燃料電池)中的重要陰極反應。商業(yè)上，主要選用鉑(Pt)基材料作為ORR電催化劑驅(qū)動反應進行。而Pt金屬儲量稀少、價格高昂，不利于大規(guī)模應用。因此，開發(fā)性能優(yōu)異且價格低廉的非貴金屬催化劑變得尤為重要。當前，碳基負載的鐵單原子催化劑(Fe SACs)作為非貴金屬催化劑，被認為是商業(yè)Pt基催化劑最有潛力的替代品之一。金屬有機骨架材料(MOFs)因高的比表面積特性，是制備Fe SACs常用前驅(qū)體。然而，目前所報道的大部分MOF衍生的催化劑孔道結(jié)構(gòu)多以微孔為主，存在傳質(zhì)差和大量催化位點在微孔內(nèi)難以參與反應的問題。為了充分利用活性位點，在催化劑中構(gòu)筑大量介孔結(jié)構(gòu)有望改善傳質(zhì)，并提高活性位點利用率。
 

　　中國科學院理化技術(shù)研究所研究員張鐵銳課題組以富含介孔籠(介孔尺寸為2-3 nm)的金屬有機框架材料MIL-101為前驅(qū)體，設計合成了具有介孔結(jié)構(gòu)的鐵單原子催化劑(Fe SAC-MIL-101)，有效提高活性位點的利用率，實現(xiàn)了高效驅(qū)動ORR。相關研究結(jié)果以MIL-101-Derived Mesoporous Carbon Supporting Highly Exposed Fe Single-Atom Sites as Efficient Oxygen Reduction Reaction Catalysts為題，發(fā)表在Advanced Materials上。研究人員通過球差電鏡觀測到，F(xiàn)e原子在碳載體上呈現(xiàn)高密度的原子級分布，擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(EXAFS)和擬合結(jié)果證實，單個鐵原子周圍配位四個氮原子，類似于自然界氧化酶的活性中心卟啉結(jié)構(gòu)。透射電鏡和孔徑分布表明，所制備的鐵單原子催化劑含有豐富的介孔，可以有效促進氧氣與質(zhì)子快速傳輸?shù)酱呋钚晕稽c上，提高活性位點的利用率。為了證實介孔結(jié)構(gòu)對活性位點利用率的有利影響，研究人員同時以另一種常用的金屬有機框架材料(ZIF-8)為前驅(qū)體，制備了富含微孔的鐵單原子催化劑(Fe SAC-ZIF8-1000)作為對照組。實驗結(jié)果表明，在鐵載量接近的情況下，F(xiàn)e SAC-MIL101-1000在堿性條件下的ORR活性(半波電位高達0.94 V)遠勝于Fe SAC-ZIF8-1000(0.87 V)和商業(yè)Pt/C催化劑(0.87 V)。由于該催化劑優(yōu)異的催化活性和快速的動力學特征，將其應用于鋅空氣電池空氣電極的陰極催化劑時，大幅優(yōu)化了鋅空氣電池的能量輸出，能量密度可達理論值的91%(984.2 Wh kg-1)。Fe SAC-MIL101-1000在固態(tài)鋅空電池中也展示了優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)化特性，功率密度達50.6 mW cm-2，有望應用于可穿戴器件領域。該研究對于通過調(diào)控催化劑孔結(jié)構(gòu)設計高效ORR催化劑具有借鑒意義。
 

　　理化所博士后謝小英為論文第一作者，張鐵銳和項目研究員尚露為論文共同通訊作者。