新疆理化所等：非貴金屬氧還原催化劑研究中取得進展

【成果簡介】

中國科學院新疆理化技術研究所胡廣志研究團隊與瑞典于默奧大學Thomas Wagberg研究團隊以及北京大學郭少軍研究團隊開展合作，利用硬模板夾芯合成法成功制備了表面功能化負載Fe-N-C催化活性中心的新型ORR催化劑材料，并通過Fe前驅體含量調控優化材料表面活性位的含量，實現在堿性條件下優于商業鉑碳的ORR催化性能。相關成果以“Synergistic Effect between the Atomically Dispersed Active Site of Fe-N-C and C-S-C for ORR in Acidic Medium”為題發表在Angewandte Chemie International Edition上。

【圖文導讀】

圖1 Fe / SNC的特征圖

（a）Fe / SNC的TEM圖像;

（b），（c）Fe / SNC的HAADF STEM圖像；

（d-h）Fe / SNC的（c）區域中的碳，氧，氮，鐵和硫的EDS圖。

圖2 Fe⁵⁷ / SNC的⁵⁷Fe M?ssbauer光譜和Fe / SNC的EXAFS光譜的傅立葉變換

（a）Fe⁵⁷ / SNC的⁵⁷Fe M?ssbauer光譜；

（b）Fe / SNC的EXAFS光譜的傅立葉變換。

【研究內容】

作為可持續能源利用技術，燃料電池與金屬-空氣電池中陰極上氧氣還原反應（ORR）的催化劑決定了能量轉化效率以及電池成本。作為有望取代傳統貴金屬鉑催化劑的Fe-N-C材料，因具有多相復雜的結構，對其活性位的定性以及定量一直是這類非貴金屬催化劑研究的難題。

中國科學院新疆理化技術研究所胡廣志研究團隊與瑞典于默奧大學Thomas Wagberg研究團隊以及北京大學郭少軍研究團隊開展的合作中，球差電鏡面掃描結果顯示，元素Fe、N、C均勻分布在材料表面，通過對⁵⁷Fe的M??bauer譜解析證明Fe只與N配位形成Fe-N結構；通過X-射線精細吸收譜（EXAFS）進一步證明Fe周圍N的配位數是2，因此合成的材料活性中心主要以FeN₂存在；采用X光電子能譜有效定量了合成材料表面FeN₂含量。密度泛函計算表明，在堿性條件下，由于對中間產物O*和OH*吸附作用較弱，以及較強的電子傳輸能力，FeN₂結構催化ORR活性高于常規FeN₄結構。

該研究工作中單一的FeN₂活性結構為建立材料催化ORR反應的半波電位(E_1/2)與活性位數量間的數學關系提供了理想模型。結合Butler-Volmer方程，為預測此類材料的催化性能提供了理論支持與實驗證明。

科研人員進一步通過引入雜原子硫，在Fe-N-C附近形成的C-S-C結構，由于S的電負性，降低了附近活性中心Fe的電子云密度，從而促進材料對O₂的吸附活化，進一步提高了材料在酸性條件下催化ORR活性。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201709/t20170907_4613621.shtml。

文獻鏈接：Synergistic Effect between the Atomically Dispersed Active Site of Fe-N-C and C-S-C for ORR in Acidic Medium（Angewandte Chemie International Edition，2017，DOI：10.1002/anie.201706602）

本文由材料人編輯部王冰編輯，點我加入材料人編輯部。

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