王鸿课题组：负载半金属硒原子的多孔碳膜-高效稳定的电极材料

nvshi

单原子催化剂因其最大的原子利用率、独特的电子结构和优异的催化活性，是最近研究的热点。目前，关于单原子催化剂的研究，主要集中于贵金属或者过渡金属原子。
      氮掺杂碳材料由于其低成本、可调控的孔结构、较大的比表面积以及较高的电导率等特点，是一种理想的（电）催化剂载体。利用贵金属或者过渡金属原子与氮掺杂碳材料中少量的氮原子之间的配位作用是目前制备碳材料负载单原子催化剂的普适策略。然而，由于单原子较高的表面能和热力学不稳定性，在制备（需要高温碳化）和实际应用过程中，这些贵金属或者过渡金属单原子易聚集成金属团簇甚至纳米颗粒，从而降低其催化活性或者选择性。因此，制备高效、稳定、高负载量的单原子催化剂仍然具有较大的挑战性。

      半金属原子，例如硒，能够与碳材料中丰富的碳原子之间形成稳定的共价键，使其更容易以稳定的单原子形式存在。南开大学王鸿研究员课题组在前期工作的基础上（Nat. Commun.,2017, 8, 13592;Angew. Chem. Int. Ed.,2017, 56, 7847;ACS Nano,2017, 11, 4358;ACS Nano, 2018, 12, 11704; Angew. Chem. Int. Ed,2018, 57, 12360;）利用聚离子液体多孔膜作为模板，通过一步碳化的方法，首次制备了负载半金属硒原子的多孔碳膜电催化剂（硒元素含量高达5.9 wt%）。
      球差电镜、同步辐射测试结果表明，带正电荷的硒原子与碳原子以共价键的方式结合，位于多孔碳膜中石墨域的边缘。研究发现所制备的负载硒原子多孔碳膜对于水合肼电催化氧化具有非常优异的活性。基于此，将其直接作为电极应用于水合肼燃料电池（传统粉末电催化剂需要加入不导电的聚合物粘合剂，压制成一定形状的薄膜才能使用），其输出功率高达182.2 mWcm-2，并且具有优异的稳定性。该研究为设计高效稳定的碳基薄膜电催化剂，以及单原子催化剂提供了新思路新方法。
相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. (2019,10.1002/ange.201907752.)。
论文作者为：Tongzhou Wang, Qiang Wang, Yucheng Wang, Yunli Da, Wu Zhou, Yue Shao, Debao Li, Sihui Zhan, Jiayin Yuan, Hong Wang


王鸿，南开大学化学学院特聘研究员，博士研究生导师，2013年毕业于复旦大学先进材料实验室；2013-2017年先后在香港科技大学、阿卜杜拉国王科技大学、德国马普胶体与界面研究所和加拿大多伦多大学做访问学者和博士后研究；2017-至今，南开大学化学学院，特聘研究员，博士生导师。


多孔碳材料由于其特有的组成与结构、较大的比表面积、有序的孔径分布及其较高的热力学稳定和化学惰性，在催化、吸附分离和能量储存等领域具有很重要的应用前景。同时氮元素的引入可显著改善其结构、导电性和酸碱性等特点。众所周知，氮掺杂的碳材料表面具有大量的碱性氮基团；且与纯碳材料相比，它还具有不少优势，一是氮原子的掺入改变了碳材料的表面电子性能，增加了碳材料的缺陷位（即催化活性位）点，进而提高了催化活性；二是含氮碳材料表面的碱性基团与活性组分之间的强相互作用，有利于金属活性组分在碳材料表面的分散，且可起到抑制积碳的形成；三是含氮基团的亲水性也使含氮碳载体负载的金属催化剂更容易在氯代苯酚类废水中得到有效分散。