刘军枫教授课题组AEM观点：Cu纳米团簇促进全pH下Fe–N–C氧还原催化剂的速率决定步骤

第一作者：梁辰

通讯作者：刘军枫*，张天宇*

单位：北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室

氢氧燃料电池或锌空气电池技术是解决资源问题的有效方案之一，然而其大规模应用受到商用Pt基氧还原反应（ORR）催化剂成本过高的限制。这两种能源器件的重点技术问题之一是开发廉价、高效的阴极催化剂。其中，氮掺杂多孔碳上负载的铁单原子催化剂（Fe–N–C）表现出了很好的ORR催化性能。然而，含氧中间体在Fe-N位点上的吸附能并不理想，不同pH下ORR反应机理也缺乏全面的认识，这些都限制了Fe–N–C的进一步性能优化和实际应用。在Fe-N-C单原子催化剂中加入原子-纳米簇相互作用是提高其ORR活性的一种可行的策略，然而，需要通过进一步的研究来阐明其潜在的机制。

FesaCunc/NC为多孔菱形十二面体结构，铁单原子和铜纳米团簇在氮掺杂碳载体上均匀分布。同步辐射表征进一步证明了金属复合位点的成功合成。

FesaCunc/NC催化剂在酸性、中性、碱性溶液中半波电位分别为0.83，0.84和0.94 V，与Fesa/NC相比分别提高了40，88，13 mV，并且Cu团簇的引入可以大大提高催化剂的稳定性。

通过电化学原位Raman表征、同位素动力学效应（KIE）实验和理论计算相结合，说明在酸性条件下*OH + e^-+ H⁺ → H²O + *是反应的速率决定步骤（RDS），而在中性和碱性条件下为*O₂ + e^- → *O₂^-。Cu团簇的引入没有改变，但是促进了不同pH下的RDS。

FesaCunc/NC催化剂在各能源器件中也具有良好的活性，在氢氧燃料电池、中性和碱性锌空气电池中的最大功率密度分别为971.4、94.9和234.7 mW cm^-2，显示了其在实际应用中的巨大潜力。同时，碱性锌空气电池具有更高的比容量和长时间放电稳定性。

Cu Nanoclusters Accelerate the Rate-Determining Step of Oxygen Reduction on Fe─N─C in All pH Range

刘军枫教授简介：教授、博士生导师，现任职于北京化工大学化学学院，化工资源有效利用国家重点实验室。主要从事无机功能纳米材料的合成及其在催化、能源领域的应用研究。近年来在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B Environ.等期刊上发表SCI论文100余篇，论文他引8000余次。

张天宇博士简介：2021年6月毕业于北京化工大学，获化学博士学位。目前在香港大学从事博士后研究，主要研究方向为单原子催化剂的设计与应用。以第一/通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater., Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B Environ.等期刊发表论文14篇。