张铁锐研究员课题组利用MIL‐101开发高效铁单原子氧还原催化剂用于锌空气电池

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氧还原反应（ORR）是系列电化学能量转换器件（如金属-空气电池、燃料电池）中的重要阴极反应。商业上主要选用铂（Pt）基材料作为ORR电催化剂驱动反应进行。但Pt金属储量稀少、价格高昂，不利于大规模应用。因此，开发性能优异且价格低廉的非贵金属催化剂变得尤为重要。当前，碳基负载的铁单原子催化剂（Fe SACs）作为非贵金属催化剂，被认为是商业Pt基催化剂最有潜力的替代品之一。金属有机骨架材料（MOFs）因高的比表面积特性，是制备Fe SACs常用前驱体。然而，目前所报道的大部分MOF衍生的催化剂孔道结构大多以微孔为主，存在传质差和大量催化位点在微孔内难以参与反应的问题。为了充分利用活性位点，在催化剂中构筑大量介孔结构有望改善传质，并提高活性位点利用率。

MIL‐101基多孔铁单原子氧还原催化剂制备流程图

　　鉴于此，中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员课题组以富含介孔笼（介孔尺寸为2-3 nm）的金属有机框架材料MIL-101为前驱体，设计合成了具有介孔结构的铁单原子催化剂（Fe SAC-MIL-101），有效提高活性位点的利用率，实现了高效驱动ORR。相关研究结果以题为“MIL-101-Derived Mesoporous Carbon Supporting Highly Exposed Fe Single-Atom Sites as Efficient Oxygen Reduction Reaction Catalysts”发表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202101038）上。研究人员通过球差电镜观测到，Fe原子在碳载体上呈现高密度的原子级分布，扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）和拟合结果证实，单个铁原子周围配位四个氮原子，类似于自然界氧化酶的活性中心卟啉结构。透射电镜和孔径分布表明，所制备的铁单原子催化剂含有丰富的介孔，可以有效促进氧气与质子快速传输到催化活性位点上，提高活性位点的利用率。为了证实介孔结构对活性位点利用率的有利影响，研究人员同时以另一种常用的金属有机框架材料（ZIF-8）为前驱体，制备了富含微孔的铁单原子催化剂（Fe SAC-ZIF8-1000）作为对照组。实验结果表明，在铁载量接近的情况下，Fe SAC-MIL101-1000在碱性条件下的ORR活性(半波电位高达0.94 V)远胜于Fe SAC-ZIF8-1000（0.87 V）和商业Pt/C催化剂（0.87 V）。由于该催化剂优异的催化活性和快速的动力学特征，将其应用于锌空气电池空气电极的阴极催化剂时，大幅优化了锌空气电池的能量输出，能量密度可达理论值的91%（984.2 Wh kg-1）。Fe SAC-MIL101-1000在固态锌空电池中也展示了优异的能量转化特性，功率密度达50.6 mW cm-2，有望应用于可穿戴器件领域。该工作对于通过调控催化剂孔结构设计高效ORR催化剂具有借鉴意义。
　　博士后谢小英为第一作者，张铁锐研究员和尚露项目研究员为共同通讯作者。论文在线发表后，得到邃瞳科学云、催化计及催化开天地多家科学媒体的关注和报道。
      原文标题： MIL-101-Derived Mesoporous Carbon Supporting Highly Exposed Fe Single-Atom Sites as Efficient Oxygen Reduction Reaction Catalysts
　  文章链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202101038


      文章来源：理化所
      张铁锐，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师、长江学者、国家杰青。主要研究能量转换纳米催化材料，在Adv. Mater.、Angew. Chem.、JACS等期刊上发表SCI论文160余篇，被引用8000多次，H指数50，申请国家发明专利35项（已授权23项），在国际会议上做特邀报告20余次。2018年和2017年分别当选长江学者特聘教授和英国皇家化学会会士。曾获皇家学会高级牛顿学者基金、德国“洪堡”学者基金、国家基金委“杰青”、科技部中青年科技创新领军人才、国家“万人计划”-首批“青年拔尖人才支持计划”、国家基金委“优青”、中科院“百人计划”-结题优秀的资助，以及太阳能光化学与光催化领域优秀青年奖等奖项。兼任Science Bulletin副主编以及Scientific Reports等期刊任编委。现任中国材料研究学会纳米材料与器件分会-理事，中国材料研究学会青年工作委员会-常委，IAOEES-理事，中国感光学会光催化专业委员会-副主任委员、中国化学会青年工作者委员会-委员，第五届中国青年科技工作者协会-会员等学术职务。