盐模板辅助制备多种过渡金属单原子催化剂用于高效氧还原

盐模板辅助制备多种过渡金属单原子催化剂用于高效氧还原

研 究 背 景

能源短缺和环境恶化问题日益突出，急需开发可再生能源储存和转换技术。锌-空气电池（ZAB）因具有理论能量密度高、环境友好和安全性高等优点而受到广泛关注。作为ZAB的关键反应，阴极氧还原反应（ORR）往往因其巨大的活化能垒和迟缓的动力学，限制了ZAB的大规模商业化应用。

单原子催化剂（SACs）由于其最高的原子利用率、不饱和的配位环境和独特的电子结构等特点，表现出较好的催化性能，在各种电催化反应中得到了广泛的研究。因此，迫切需要寻找一种低成本、简便的方法合成原子分散M-Nx位点以改善ORR性能。

文 章 简 介

基于此，来自哈尔滨工业大学（深圳）的徐成彦教授与中国科学院福建物质结构研究所的温珍海教授合作，在国际期刊Small上发表了题为“Transition Metal (Co, Ni, Fe, Cu) Single-Atom Catalysts Anchored on 3D Nitrogen-Doped Porous Carbon Nanosheets as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts for Zn–Air Battery”的文章。

本文根据密度泛函理论计算 (DFT) 预测，四种过渡金属SACs的本征ORR活性遵循Co > Fe > Ni ≈ Cu的趋势，其中Co SACs由于最佳的自旋密度，具有最佳的ORR活性。在理论计算指导下，通过简便的盐模板辅助策略，合成了嵌入在三维多孔氮掺杂碳纳米片中的四种过渡金属单原子 (MSAs@PNCN, M = Co, Ni, Fe, Cu)。

研究表明，MSAs@PNCN的ORR活性趋势与理论预测一致，其中Co SAs@PNCN表现出与Pt/C相当的最佳碱性ORR活性。X射线吸收结构 (XAFS) 光谱证实原子级分散的Co-N4配位是ORR催化主要活性位点。高活性的Co-N4位点和独特的三维多孔结构使Co SAs@PNCN具有优异的ORR性能。此外，采用Co SAs@PNCN催化剂为阴极的锌空气电池表现出高的输出功率密度和很好的循环稳定性。

图1. 密度泛函理论计算

图2. Co SAs@PNCN的合成示意图和形貌表征

图3. MSAs@PNCN的XRD、Raman、BET和XPS表征

图 4. Co SAs@PNCN的XAFS结构表征

图5. 不同催化剂在0.1 M KOH溶液中的ORR性能

图6. Co SAs@PNCN和Pt/C作为阴极催化剂组装的锌空气电池性能

本 文 要 点

要点一：密度泛函理论计算预测ORR活性

DFT计算预测，四种过渡金属单原子催化剂的本征ORR活性遵循Co > Fe > Ni ≈ Cu的趋势，其中Co单原子由于最佳的自旋密度，具有最佳的ORR活性。

要点二：四种过渡金属单原子催化剂的成功制备以及优异的ORR活性

在DFT计算的指导下，通过一种简便的NaCl盐模板辅助策略合成了四种锚定在3D多孔氮掺杂碳纳米片中的过渡金属单原子催化剂 (MSAs@PNCN, M = Co, Ni, Fe, Cu)，并探究了其ORR活性。研究发现，合成的四种单原子催化剂中，所制备的Co SAs@PNCN具有最佳的碱性ORR性能，半波电位为 0.851 V，和商用 Pt/C (0.848 V) 相媲美，和理论计算的活性顺序一致。

要点三：优异的锌空气电池性能

以Co SAs@PNCN作为空气阴极催化剂组装的锌空气电池显示出高的开路电位 (1.48 V)，较大的功率密度 (220 mW cm-2)，以及超过 530圈循环的稳定性。

审核编辑 ：李倩