王海燕:Environ发表基于仿生设计高效催化剂的研究成果

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近日，国际催化领域的知名期刊Applied Catalysis B: Environmental (IF=11.698)在线发表了我校王海燕课题组关于利用仿生思路设计高效Cu-Fe-N-C催化剂的最新成果：“Boosting Oxygen Reduction Activity of Fe-N-C by Partial copper substitution to iron in Al-air batteries”(2019，242：209-217)。中南大学为第一单位，2016级博士生李静莎与13级硕士陈家杰为共同第一作者，王海燕老师为通讯作者。

铝空气电池具有能量密度高、资源丰富、结构简单、成本较低、环保等优点，有望在移动电站和电动汽车等领域得到广泛应用，同时金属铝可以替代石油作为一种战略能源，能保障国家的能源安全，同时极大缓解我国目前的铝产能过剩的问题。氧还原过程是开发高性能铝空气电池的关键技术之一，目前昂贵的Pt/C商业化催化剂限制了该电池的进一步应用。开发低成本、高活性、长寿命的非铂催化剂仍然面临重要挑战。

过渡金属-氮共掺杂碳材料（M-N-C）因具有成本低、制备方法简单、较高的氧还原催化活性与稳定性等优点备受关注。细胞色素C氧化酶（CcOs）在细胞呼吸中显示出优异的氧还原催化活性，是一个直接的4e-过程。CcOs的一个双金属活性位点是由铁卟啉亚铁血红素a3和一个三组氨酸配位的铜（Fea3/CuB）组成。在CcO体系中O2还原机理中的一开始是O2连接到FeII中心，然后就是被吸附的物系从酶环境中接受一个质子和一个电子，比如Tyr244，接下来就是过氧化的O-O键断裂然后OH基团转移到CuI位点，最后氧化的FeIV=O/CuII经过多电子和质子转移被还原。受细胞色素C氧化酶中Cu和Fe元素的协同作用启发，课题组提出了一种铜铁双金属共掺杂碳材料的思路，显著提升了Fe-N-C催化剂的氧还原性能。研究发现，铜部分替代铁后，材料形貌发生明显变化，电催化活性显著增强，半波电位高出商业化20%铂碳（江森控制）44mV。此外，无机铜源的含量和类型对催化剂的电化学活性也产生了很大的影响。组装成铝空气电池后，相比Fe-N-C，Cu-Fe-N-C显示了更高的功率密度和更长的使用寿命，突出了Cu和Fe双金属元素掺杂的协同作用。DFT理论计算进一步验证了这一结论，铜的引入显著增强了O2吸附，加速了ORR过程。本研究可以为基于双金属掺杂策略的新型ORR电催化剂开发提供新思路。

该工作得到了中国国家自然科学基金，中南大学升华育英计划和中南大学第四批创新驱动计划等基金的大力支持。