西安交大苏亚琼团队最新AFM：构筑FeIn合金增强Fe-N-C单原子位点ORR活性与稳定性

第一作者：孙壮志、钟毅、隋赫羽

通讯作者：苏亚琼*

单位：西安交通大学

氧还原反应（ORR）是燃料电池和金属空气电池等可持续能源转换和储存装置中的关键反应。Pt基催化剂具有优异的ORR性能，但价格昂贵，限制了其应用。Fe-N-C材料因其与Pt基催化剂相当的活性而备受关注，但其FeN4位点与含氧物质之间的结合亲和力不足，导致反应动力学缓慢，且长期耐久性不足。因此，Fe-N-C催化剂的实际性能还不能令人满意，在保持ORR过程稳定性的同时提高其活性仍然存在困难。

TEM表明合成出具有层状结构的FeIn-NC，其中直径约为20 nm的Fe-In合金纳米颗粒被封装在碳层中。

EXAFS表征进一步说明FeIn-NC由FeN4位点与Fe-In合金组成。

FeIn-NC表现出良好的氧还原活性，半波电位、动力学电流密度与塔菲尔斜率均优于商用Pt/C。K–L方程推导出电子转移数为4，ORR过程主要为4 e-途径。并且在10,000次循环下半波电位几乎保持恒定，表现出优异的稳定性。

DFT计算表明Fe-In合金与FeN4单原子的协同作用改变了FeN4位点的电子结构和电荷转移，调节ORR中间体的吸附和解吸，从而提高电催化ORR反应的催化活性。MKM分析与实验结果一致，进一步揭示了ORR反应机制。

基于FeIn-NC组装的锌空电池性能优异，其功率密度、比容量与倍率性能均优于Pt/C，且在720 h的循环充放电测试中表现出良好的稳定性。

Zhuangzhi Sun, Yi Zhong, Heyu Sui, Jia Liu, Pengfei Xie, Shujiang Ding, Yaqiong Su*. Construction of Fe–In Alloy to Enable High Activity and Durability of Fe–N–C Catalysts. Adv. Funct. Mater. 2024, 2410774.

苏亚琼，1989年11月出生于河南省上蔡县。西安交通大学化学学院研究员，principal investigator (PI)，博士生导师，兼任埃因霍温理工大学客座研究员。2019年1月获埃因霍温理工大学催化专业博士学位。曾担任美国特拉华大学访问学者、埃因霍温理工大学博士后、厦门大学iChEM-2011能源材料化学协同创新中心访问学者。2020年7月，入选西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”。主要研究方向为计算能源催化/材料和界面电化学/表面增强拉曼光谱理论。主要通过第一性原理、分子动力学、以及机器学习、蒙特卡罗等算法，致力于多相催化表界面结构敏感性及活性的理论计算研究。截至目前，已在 Science (2)、Nature Catal.、Nature Comm.、JACS、Angew、Energy Environ. Sci.、Chem. Sci.、ACS Catal.、Chem. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.等学术期刊发表文章100余篇。