內蒙古大學王勤教授Applied Catalysis B: Environmental：配位結構及表面親疏水微環境協同提升鐵單原子電催化性能

?【研究背景】

近年來，單原子催化劑（SACs）因具有較高的金屬利用率、獨特的結構和電子特性成為了研究的熱點。由于單原子與其配位的原子之間存在強烈的相互作用，因此SACs的局域配位環境，包括配位數、配位原子種類等都會對單原子催化活性、穩定性產生重要影響。此外，在電催化反應過程中，反應物、中間體和產物均通過界面微環境擴散到催化劑表面或電解液中，催化劑界面微環境結構對其內部反應與傳遞過程有著極為重要的影響。

【文章簡介】

有鑒于此，內蒙古大學武利民教授團隊王勤教授課題組與大連化物所張江威研究員合作，開發了一種獨特的N、P雙配位的Fe基單原子催化劑，該催化劑表現出優異的電催化氧還原反應性能。文章巧妙的通過離子液體的處理，在Fe-N₄結構中引入次級P原子來調節Fe-N₄物種的配位結構和局域電子結構。離子液體的引入不僅可以增強催化劑表面的疏水性，形成離子液體保護層，有效調控催化劑的反應界面微環境，而且可以顯著提升催化活性和穩定性。

圖1.?催化劑的合成方法及形貌結構。

【本文要點】

要點一：?通過雜原子摻雜調節單原子的配位環境，可以有效地提高ORR活性。目前，合成單原子普遍采用的策略是對雜原子摻雜的MOF前驅體進行高溫熱解。該方法可能影響單原子的形成，且熱解溫度、金屬負載等嚴重制約了該方法的靈活性和普適性。本研究開發了一種簡易的離子液體處理的方法，將Fe-N₄?SAC催化劑浸入疏水離子液體中，成功地調節SACs的配位環境，形成Fe-N₂P不飽和配位結構。

圖2.?催化劑的配位結構、成鍵、空位分析。

要點二：?離子液體層較高的O₂溶解度有利于驅使 O₂向催化劑活性位點擴散，提高活性位點利用率，從而提升 ORR性能。離子液體相代替水相作為反應介質，能夠保護催化劑免受外部氧化或中毒，可有效改善催化劑的穩定性。

圖3.?催化劑電催化性能研究。

要點三：密度泛函理論計算結果表明，Fe-N₂P混合配位和N空位的形成使Fe單原子活性位點周圍富集更多的電子，有利于OOH*中間體的形成，從而改善催化劑反應動力學。

圖4.?催化劑理論計算研究。

【文章鏈接】

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337322003708

【文章題目】

Atomic-Level Modulation of Local Coordination Environment at Fe Single-Atom Sites for Enhanced Oxygen Reduction

【通訊作者簡介】

王勤：內蒙古大學化學化工學院教授，博士生導師，擔任學校學術委員會學科建設委員會委員、學部委員、國家自然科學基金通訊評議專家、教育部學位與研究生教育發展中心通訊評議專家以及多個國際重要學術期刊的編委。2010年7月畢業于吉林大學物理化學專業，獲理學博士學位，同年來校任教至今。王勤教授作為化學化工學院的學科帶頭人，結合自治區重大能源需求和學科發展方向，圍繞自治區能源化工、稀土及新材料開展特色研究工作，取得了系列重要原創成果。主持各類科研項目10余項，近五年在Nano Letters，Angew. Chem.?Int. Ed, Adv. Energy Mater, Appl Catal B-Environ等發表高質量學術論文80多篇，其中多篇被選為封面或熱點論文。課題組在稀土及半導體功能納米催化材料的設計制備、結構調控與性能研究工作獲2016年內蒙古自然科學一等獎（排名第三）；入選自治區“草原英才”工程、自治區“新世紀321人才工程”、自治區“草原英才”工程青年創新人才一層次、自治區青年科技領軍人才、內蒙古杰出青年培育基金、內蒙古大學國家杰出青年科學基金培育人選；獲內蒙古大學三育人先進個人、國家級創新創業訓練計劃優秀指導教師、內蒙古大學校長勵學獎、內蒙古大學烏可力獎等榮譽稱號。

郵箱：qinwang@imu.edu.cn

課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/wangqin/