Angew. Chem.：?jiǎn)畏稚n-Co雙原子對(duì)催化劑用于高效高穩(wěn)定氧還原反應(yīng)
催化 由 X-MOL發(fā)布于 2019-01-05燃料電池以及各種金屬-空氣電池因其超高的能量密度和環(huán)境友好無(wú)污染廢氣排放等優(yōu)點(diǎn)，引起科研工作者的廣泛研究。發(fā)展高活性、低成本的非貴金屬催化劑對(duì)于燃料電池及金屬-空氣電池的大規(guī)模制備與應(yīng)用具有重大意義。其中，基于金屬-氮-碳（M-Nx -C）結(jié)構(gòu)的單金屬或者雙金屬催化劑體系，因其較低成本及相對(duì)高的催化活性引起人們的廣泛關(guān)注。目前對(duì)于這類催化劑的研究，多局限于Fe、Co、Ni等元素。在體系中引入其他過(guò)渡金屬，探索更多雙金屬體系的結(jié)構(gòu)，并深入研究其在氧還原反應(yīng)中的催化作用機(jī)制，不僅有助于進(jìn)一步加深對(duì)M-Nx -C體系催化機(jī)理的理解，同時(shí)也為新型催化劑的設(shè)計(jì)提供更多的可能性，具有重要的理論和實(shí)際意義。
近日，燕山大學(xué)趙玉峰教授（點(diǎn)擊查看介紹）課題組與加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良教授（點(diǎn)擊查看介紹）課題組、天津理工大學(xué)羅俊教授（點(diǎn)擊查看介紹）課題組、上海光源姜政（點(diǎn)擊查看介紹）課題組合作，基于競(jìng)爭(zhēng)配位策略制備了一種均勻分散的Zn/Co-Nx -C雙原子高效氧還原催化劑。高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描隧道顯微鏡HAADF-STEM結(jié)合X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）表征證實(shí)了Zn-Co雙原子對(duì)的存在形式為ZnCoN6。密度泛函理論計(jì)算表明ZnCoN6雙原子對(duì)可以使O-O鍵顯著增長(zhǎng)，由原來(lái)的1.23 ?增加到1.42 ?，從而有利于O-O鍵的斷裂。理論計(jì)算和原位XANES測(cè)試進(jìn)一步證實(shí)鈷原子為該ZnCoN6雙原子結(jié)構(gòu)的活性中心，并且這種結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)循環(huán)測(cè)試后仍然穩(wěn)定存在。基于這種高活性的Zn-Co雙原子對(duì)活性位點(diǎn)，該催化劑在堿性（起始電位：1.004 V，半波電位：0.861 V）以及酸性條件下（起始電位：0.97 V，半波電位：0.796 V）均表現(xiàn)出十分優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性。將該催化劑應(yīng)用于鋅-空氣電池表現(xiàn)出230 mW cm-2的最大功率密度，在H2/O2燃料電池中表現(xiàn)出705 mW cm-2（約為商業(yè)Pt/C的78%）的功率密度，并且經(jīng)過(guò)八小時(shí)的穩(wěn)定性測(cè)試未表現(xiàn)出活性的衰減。以上結(jié)果表明該催化劑在燃料電池以及金屬空氣電池中具有巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。
該研究工作對(duì)于大批量制備高活性的雙原子催化劑提供了一個(gè)借鑒，此外詳細(xì)的表征與理論計(jì)算結(jié)合對(duì)于理解雙原子催化劑的活性起源提供了更為深入的理解，為其他電催化催化劑的合成制備與機(jī)理探討也有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)文章發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201810175
該論文作者為：Ziyang Lu, Bo Wang, Yongfeng Hu, Wei Liu, Yufeng Zhao, Ruoou Yang, Zhiping Li, Jun Luo, Bin Chi, Zheng Jiang, Minsi Li, Shichun Mu, Shijun Liao, Jiujun Zhang, Xueliang Sun，Isolated Zn-Co Atomic Pair for Highly Active and Durable Oxygen Reduction
Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201810175
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