邱晓清教授、陈善勇副教授，ACS Nano 观点：Mn单原子调控Fe-N-C催化剂实现高效稳定的氧电催化以及锌空气电池

第一作者：冉兰&徐燕

通讯作者：邱晓清*，陈善勇*

单位：中南大学

氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）作为锌空气电池中两个重要的半反应，其缓慢的ORR/OER动力学导致高的过电位和能量输出，成为了锌空气电池实际应用的主要瓶颈。大量研究证明具有优异催化活性的Fe-N-C催化剂是贵金属铂基催化剂的有前途的替代者。但是，目前大量的研究集中在提高Fe-N-C催化剂的活性，而忽略了Fe-N-C催化剂很难在长期运行中保持优异的稳定性。Fe-N-C催化剂稳定性的衰减主要来源于碳基底的氧化和活性中心Fe-Nx的毒化。尤其是，O₂活化和不完全还原所产生的的超氧自由基（·HO₂-) 和羟基自由基（·OH）对Fe-Nx位点的猛烈攻击。

本篇文章通过在Fe-N-C催化剂中引入Mn单原子以实现高效稳定的氧电催化。本工作主要研究了Fe-N-C催化剂活性与稳定性兼顾的关联性。同时，重点探究了Fe-N-C催化剂活性与稳定性提高的机制。这项工作为开发能源设备应用的先进电催化剂提供了有效策略，有助于实现低碳和可持续发展的未来。

近日，来自中南大学的邱晓清教授团队在国际知名期刊 ACS Nano上发表题为“Mn Single-Atom Tuning Fe-N-C Catalyst Enables Highly Efficient and Durable Oxygen Electrocatalysis and Zinc−Air Batteries”的观点文章。该观点文章提出了一种同时提高Fe-N-C催化剂稳定性和活性的有效策略，即通过在Fe-N-C催化剂中引入Mn单原子。该工作重点探究了Mn单原子提高Fe-N-C催化剂活性和稳定性的机制。

ZIF8作为一种新型多孔材料，是由锌离子和2-甲基咪唑组建而成，具有比表面积大、孔隙率高、尺寸可控、良好的结构规则性以及可调节的表面功能性等，在电催化剂的合成中得到广泛应用。碳纳米管作为金属催化剂的载体，在近年来也受到广泛的研究。本工作通过热解含铁源和锰源的沸石咪唑骨架以及具有高电子导电率的碳纳米管实现了高性能氧电催化剂的合成。

通过Mn单原子调控Fe-N-C催化剂制备了一款具有优异活性和稳定性的电催化剂材料Mn1@Fe-N-C/CNTs。其中，在碱性电解液中的半波电位为0.89 V，起始电位为1.01 V（V vs. RHE）。OER反应在10 mA/m²的过电位与ORR反应的半波电位之差（ΔE）仅为0.59 V，优于大多数所报道的氧电催化剂。经过15000次CV循环，半波电位仅减少14mV。在锌空气电池中表现出高的开路电压（1.53 V）和优异的循环稳定性（高达200 h）。

碳纳米管的引入不仅增强了ZIF8之间的联系，同时促进了电催化反应中电子的转移而加快反应动力学。Mn单原子通过调节Fe的电子结构，使电子从Mn转移到Fe而使Fe-Nx活性中心呈现富电子状态，这有利于增强氧气的活化而提高ORR的本征活性。

本工作通过实施自由基清除实验以探究Fe-N-C催化剂稳定性提高的机制。目标样Mn1@Fe-N-C/CNTs与对比样Fe-N-C/CNTs相比，在417 nm处呈现出更强的吸光度衰减，表明Mn₁@Fe-N-C/CNTs具有更强的自由基清除能力。这是由于在 Fe-Nx位点上形成的 ·HO₂- 可以在相邻的 Mn-N₂O₂ 位点上被催化转化为H₂O和O₂而减弱了自由基对Fe-Nx位点的攻击。所以Fe-N-C催化剂稳定性的提高是通过引入锰单原子实现对自由基的清除，以减轻自由基对活性位点的攻击，从而实现持久的ORR电催化剂性能。

Mn Single-Atom Tuning Fe-N-C Catalyst Enables Highly Efficient and Durable Oxygen Electrocatalysis and Zinc−Air Batteries

邱晓清教授简介：2008年12月博士毕业于中国科学院福建物质结构研究所；2009～2012年在日本东京大学先端科学研究所工作，任NEDO特任研究员；2012～2016年6月福州大学国家环境光催化工程技术研究中心工作，任教授、博士生导师；2016年入选中南大学升华学者特聘教授，2016年7月起在中南大学化学化工学院工作。

研究领域主要涉及纳米材料、催化、能源等领域。先后在J. Am. Chem. Soc.; ACS Nano; Appl. Phys. Lett.; Appl. Catal. B; J. Phys. Chem. Lett.; Inorg. Chem.; Chem. Commun.; Chem. Eng. Sci.; Nanotechnology; 等国际知名刊物上发表论文百余篇, 引用12000多次，个人H指数50。

陈善勇副教授简介：本科毕业于中南大学应用化学系；博士毕业于南京大学物理化学专业；随后在暨南大学-中南大学开展联合博士后研究；2023年2月进入中南大学化学化工学院工作。长期从事能源电催化、清洁能源转换与化学品绿色合成方面的研究，包括能源催化材料原子尺度构筑、催化反应本征机制探究及绿色（电）催化工艺器件开发等，目前以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Appl. Catal. B: Environ.; ACS Appl. Mater. Interfaces; Chem. Eng. J.; 等专业学术期刊发表16篇研究论文，3篇入选ESI高被引论文，申请国家发明专利1项。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金站中特别资助项目、中国博士后科学基金面上项目及中南大学科研启动基金等项目6项。