Angew. Chem.：單分散Zn-Co雙原子對催化劑用于高效高穩定氧還原反應
催化 由 X-MOL發布于 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境友好無污染廢氣排放等優點，引起科研工作者的廣泛研究。發展高活性、低成本的非貴金屬催化劑對于燃料電池及金屬-空氣電池的大規模制備與應用具有重大意義。其中，基于金屬-氮-碳（M-Nx -C）結構的單金屬或者雙金屬催化劑體系，因其較低成本及相對高的催化活性引起人們的廣泛關注。目前對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渡金屬，探索更多雙金屬體系的結構，并深入研究其在氧還原反應中的催化作用機制，不僅有助于進一步加深對M-Nx -C體系催化機理的理解，同時也為新型催化劑的設計提供更多的可能性，具有重要的理論和實際意義。
近日，燕山大學趙玉峰教授（點擊查看介紹）課題組與加拿大西安大略大學孫學良教授（點擊查看介紹）課題組、天津理工大學羅俊教授（點擊查看介紹）課題組、上海光源姜政（點擊查看介紹）課題組合作，基于競爭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。高角環形暗場掃描隧道顯微鏡HAADF-STEM結合X射線吸收精細結構譜（XAFS）表征證實了Zn-Co雙原子對的存在形式為ZnCoN6。密度泛函理論計算表明ZnCoN6雙原子對可以使O-O鍵顯著增長，由原來的1.23 ?增加到1.42 ?，從而有利于O-O鍵的斷裂。理論計算和原位XANES測試進一步證實鈷原子為該ZnCoN6雙原子結構的活性中心，并且這種結構在長循環測試后仍然穩定存在。基于這種高活性的Zn-Co雙原子對活性位點，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）均表現出十分優異的催化活性和穩定性。將該催化劑應用于鋅-空氣電池表現出230 mW cm-2的最大功率密度，在H2/O2燃料電池中表現出705 mW cm-2（約為商業Pt/C的78%）的功率密度，并且經過八小時的穩定性測試未表現出活性的衰減。以上結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際應用潛力。
該研究工作對于大批量制備高活性的雙原子催化劑提供了一個借鑒，此外詳細的表征與理論計算結合對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理探討也有重要的指導意義。相關文章發表在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
原文l鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201810175