北京化工大学程元徽课题组《Small》：具有密集活性位点的原子分散铁作为锌-空气液流电池的双功能氧催化剂- 大数跨境

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北京化工大学程元徽课题组《Small》：具有密集活性位点的原子分散铁作为锌-空气液流电池的双功能氧催化剂

科学材料站

2021-12-30

导读：本文报告了一种双空间位阻策略合成了单原子Fe催化剂，ZIF-8作为一级分散骨架，通过化学键分离铁离子，封装在ZIF-8内部密闭空间中的苯硼酸作为二级空间阻隔物

文章信息

高密度、高利用率原子级分散铁/碳催化剂作为锌-空气液流电池的双功能氧催化剂

第一作者：高乐森，高霞，姜鹏

通讯作者：程元徽*

单位：北京化工大学

研究背景

嵌入氮掺杂碳的过渡金属单原子（M-N_X-C）在当前的催化领域引起广泛关注。虽然有些M-N_X-C催化剂在三电极体系中已经表现出很高的ORR/OER催化活性，但其暴露的活性中心仍然太少，不能满足电池实际应用的要求。通过增加原子M-N_X位点的密度和利用率可改善催化性能，但仍然具有巨大的挑战性。

文章简介

锌空气液流电池成本低500-700元/kWh（储能行业要求＜1500元/kWh），能量密度60～80Wh/kg，循环寿命＞2000次，安全环保，维护简单，可深度充放电，工作温度宽（-40至70℃），可用于百千瓦-百兆瓦级储能场景。

围绕制约金属锌空气液流电池商业化应用的瓶颈难题，北京化工大学程元徽课题组《Small》报告了一种双空间位阻策略合成了单原子Fe催化剂，ZIF-8作为一级分散骨架，通过化学键分离铁离子，封装在ZIF-8内部密闭空间中的苯硼酸作为二级空间阻隔物，协同防止分离的铁离子在随后的热解过程中迁移和聚集。

此外，ZIF-8框架提供模板，苯硼酸作为成孔剂，形成凹面、中空结构和分级孔隙，扩大反应界面和暴露的活性位点。合成的PA@Z8-Fe-N-C单原子催化剂Fe含量达到5.49 wt%和高达88.5 ± 4.5%的利用率，暴露的活性位点密度为5.2 ± 0.3×1020 sites g^-1，比最近报道的最高值（1.92×1020 sites g^-1）高出大约三倍。

在半电池和锌-空气液流电池试验中，与商业基准Pt/C和IrO₂催化剂相比，PA@Z8-Fe-N-C表现出更好的O₂吸附性能和更高的活性和稳定性。这项工作为提高单原子催化剂的密度和利用率提供了一种新的策略。

图1. a) PA@Z8-Fe-N-C催化剂合成图， b) PA@Z8-Fe-N-C催化剂的TEM图像（含苯硼酸），c)对比例Z8-Fe-N-C催化剂合成图， d) Z8-Fe-N-C催化剂的TEM图像（不含苯硼酸），e) Z8-Fe-N-C和PA@Z8-Fe-N-C的X射线衍射图，f) PA@Z8-Fe-N-C的AC-HAADF-STEM图像（以红色圆圈突出显示的单个铁原子），g) HAADF-STEM图像和PA@Z8-Fe-N-C的N，Fe和Fe+N元素的EELS mapping图。

图2. a) Z8-Fe-N-C, PA@Z8-Fe-N-C和对比样Fe箔，FePc和Fe2O3的Fe K-edge XANES图像；b) a图中预边缘区域的放大视图；c) Z8-Fe-N-C和 PA@Z8-Fe-N-C的Fe L-edge XANES图像；d) a图中Fe K-edge EXAFS的傅里叶变换；e) Fe箔，FePc，Z8-Fe-N-C和PA@Z8-Fe-N-C的WT图像；f) Z8-Fe-N-C和 PA@Z8-Fe-N-C的N K-edge XANES图像；g) PA@Z8-Fe-N-C傅里叶变换的实验EXAFS谱及光谱的EXAFS拟合（插图：催化剂中Fe-N/O位点的模型示意图）

图3. a) Fe穆斯堡尔谱和PA@Z8-Fe-N-C的拟合；b) PA@Z8-Fe-N-C高分辨率Fe 2p XPS光电子能谱；c) 过渡金属基双功能氧催化剂的单原子含量；Z8-Fe-N-C和 PA@Z8-Fe-N-C 的d)N2吸-脱附曲线，e)比表面积，f)氧扩散系数和g)传质和暴露活性部位的示意图模型

图4 a) ORR极化曲线 and b) 对应的不同催化剂的塔菲尔斜率，c) PA@Z8-Fe-N-C和Pt/C通过计时电流法测试ORR稳定性的比较；d) OER极化曲线 and e) 对应的不同催化剂的塔菲尔斜率，f) PA@Z8-Fe-N-C和IrO₂通过计时电流法测试ORR稳定性的比较

图5 a) 锌-空气液流电池示意图，用PA@Z8-Fe-N-C或者Pt/C+ IrO₂作为空气阴极的锌-空气液流电池b) 充放电电压曲线，c) 充电能量，d) 放电能量和 e) 循环稳定性

文章链接

Atomically Dispersed Iron with Densely Exposed Active Sites as Bifunctional Oxygen Catalysts for Zinc–Air Flow Batteries

https://doi.org/10.1002/smll.202105892

通讯作者简介

程元徽博士副教授

北京化工大学“青年英才百人计划”入选者。于2015年在中国科学院大连化学物理研究所取得工学博士学位，同年以青年后备人才加入北京化工大学化工学院。研究兴趣包括燃料电池、液流电池、电解水技术等，开展了从催化材料、电极到电池全链条的研究。目前承担科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金、中央高校业务费等基金、北京化工大学引进人才启动基金、企业横向课题等项目。相关成果在Angewandte Chemie International Edition、Small、Nano Energy、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Science、ACS Nano、Industrial & Engineering Chemistry Research、Journal of Materials Chemistry A（1篇）等化工能源类TOP期刊发表SCI论文30余篇，授权发明专利20余项。