文章資訊
鄰近的Pt原子位點助力Fe單原子實現高效ORR催化活性
第一作者:韓阿麗
通訊作者:王定勝*
組織:中國清華大學
研究背景
氧氣還原反應(ORR)是燃料電池和金屬空氣電池等多種能量轉換和存儲技術中最重要的催化過程之一,囙此引起科學家的廣泛關注。
近幾年隨著單原子催化劑的迅速發展,以Fe-N4為主的非貴金屬催化資料由於其高效的ORR活性和低廉的成本,被認為是最有可能替代貴金屬Pt基催化劑的理想資料。
然而,與商業化Pt/C催化劑相比,對稱的Fe-N4電子分佈結構使其對氧中間體(例如,OOH*、O*和OH*)的吸附能不會達到最優。囙此用廉價的Fe-N4催化劑替代Pt基貴金屬催化劑,同時在實際應用中表現出優异的催化效能和長時間穩定性仍然面臨巨大挑戰。
文章簡介
基於此,來自清華大學的王定勝教授,在國際知名期刊Angewandte Chemie International Edition上發表題為“Adjacent Atomic Pt Site Enables Single-Atom Iron with High Oxygen Reduction Reaction Performance”的研究性文章。
該文章通過密度泛函理論(DFT)計算和實驗相結合手段論證了Fe-N4和Pt-N4共存與ORR效能之間的調控關係。
圖1.理論計算為指導的Pt-N4位點對Fe-N4位點的O2吸附和電子結構的調控。
本文要點
要點一:電子結構調控匹配,促進ORR活性
理論研究表明,Pt-N4位點的引入可以大大促進O2在Fe-N4位點的吸附和O-O鍵斷裂。並調節Fe d和O p軌道的再雜化,優化氧中間體的吸附,從而降低ORR過電勢,加速整個ORR動力學過程。
要點二:雙金屬組合,達到最優催化效能
研究人員設計並合成了最佳的Fe-N4/Pt-N4@NC,它具有0.93 V的超高半波電位、持久的催化穩定性和較高的甲醇耐受性,優於商用Pt/C和已報導的大多數金屬基SACs在鹼性溶液中的電催化ORR活性。
此外,基於Fe-N4/Pt-N4@NC催化劑的鋅-空氣電池具有優异的效能和充放電耐久性,在金屬-空氣電池中具有良好的應用前景。
要點三:電子結構調控不匹配,效能差別大
受Fe-N4調製效應的啟發,研究人員分析了Pt-N4位點的引入對Co-N4/Pt-N4和Mn-N4/Pt-N4體系ORR活性的影響。然而,理論和實驗結果都表明,Pt-N4的加入對Co-N4/Pt-N4@NC體系的ORR效能的提升基本可以忽略不計。
相反,Mn-N4/Pt-N4@NC體系表現出相對於Mn-N4@NC較低的ORR活性。理論計算研究發現,這是由於Mn-N4/Pt-N4@NC體系中,Mn-N4位點對OH*的吸附能過强所致。
文章連結
“Adjacent Atomic Pt Site Enables Single-Atom Iron with High Oxygen Reduction Reaction Performance”
https://doi.org/10.1002/anie.202105186
原文刊載於【科學資料站】公眾號
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