何大平教授、木士春教授， JMCA观点：通过在Fe-N-C体系中引入Bi-O键调节Fe-N4位点以促进氧还原反应- 大数跨境

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何大平教授、木士春教授， JMCA观点：通过在Fe-N-C体系中引入Bi-O键调节Fe-N4位点以促进氧还原反应

科学材料站

2021-12-07

导读：该文章主要研究了Bi原子掺杂对Fe/N-C体系的结构和氧还原活性的影响。

文章信息

通过在Fe-N-C体系中引入Bi-O键调节Fe-N₄位点以促进氧还原反应

第一作者：晋慧慧，朱加伟

通讯作者：何大平*，木士春*

单位：武汉理工大学

研究背景

诸多研究报道了铋（Bi）原子对钙钛矿氧化物和贵金属基催化剂的最佳调节机制，但其对Fe/N-C体系的氧还原反应(ORR)的影响尚未被见有研究报道。因此，在这项工作中，我们成功地将Bi原子以原子级Bi-O键的形式引入到Fe/N-C系列催化材料中。

与预期相一致，具有Bi原子调节功能的Fe基碳氮材料（Fe/Bi-RNC）比纯Fe基碳氮材料（Fe-RNC）具有更好的ORR活性。我们的工作对Fe/N-C催化活性的调控具有重要意义，并将为Bi原子促进Fe/N-C的氧还原催化活性的研究开辟了一个新的方向。

文章简介

本文中，来自武汉理工大学的何大平教授和木士春教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Tuning the Fe-N₄sites by introducing Bi-O bond in Fe-N-C system for promoting oxygen reduction reaction”的研究性文章。该文章主要研究了Bi原子掺杂对Fe/N-C体系的结构和氧还原活性的影响。

图1. Fe/Bi-RNC催化剂的制备过程，以及每一步产物的形貌图

本文要点

要点一：以携带金属（Fe、Bi）原子的C3N4为模版实现产物中金属原子的引入和形貌的控制

携带Fe和Bi金属原子的C₃N₄作为模板在高温下完全分解后，可为催化剂提供额外的氮源；此外，其负电荷的性质，更容易吸附锌离子，在PVP的帮助下，使ZIF-8尽可能地生长在C₃N₄模板上；最后，经高温煅烧，不仅实现了Fe和Bi原子从C₃N₄完全转移到ZIF-8衍生的碳基质中，而且还实现了最终产物形貌的可控制备。

要点二：Bi原子的存在形式以及对Fe位点的结构影响

像差校正的高角暗场扫描透射电子显微镜(ACHAADF-STEM)图像显示，Bi原子在所制备的催化剂Fe/Bi-RNC中呈原子级分散状态；X射线光电子能谱结果显示，Bi在Fe/Bi-RNC中以Bi-O的形式存在；Fe穆斯堡尔谱测试结果表明，Bi-O的存在促进了Ox-Fe(III)-N4位点的形成；电子顺磁共振谱进一步表明，Bi-O改变了Fe中心的自旋状态。

要点三：Bi掺杂对Fe/N-C体系氧还原活性的影响

测试结果显示，在0.1 M KOH和0.5 M H2SO4条件下，Fe/Bi-RNC的半波电位分别达到0.899 V和0.766 V，分别比纯铁基催化剂(Fe-RNC)增加了38 mV和70 mV。

要点四：理论计算验证

DFT计算表明，引入的Bi-O键通过长期离域影响邻近中心Fe原子的电荷密度，缩小了Fe-N4的带隙，从而提高Fe-N4位点的电子转移能力，并最终改善了Fe/N-C催化剂的ORR活性。

文章链接

Tuning the Fe-N4 sites by introducing Bi-O bond in Fe-N-C system for promoting oxygen reduction reaction

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TA/D1TA08256F#!divAbstract

通讯作者简介

何大平教授

武汉理工大学教授，英国皇家学会牛顿学者，湖北省楚天学子，湖北省青年英才。研究方向为纳米复合材料的制备与应用，特别是新型石墨烯材料的合成与结构调控、贵金属纳米材料的界面设计及贵金属与石墨烯复合型材料在新能源设备、传感器、射频微波领域的应用。目前已在Nat. Commun., J.Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际知名期刊上发表学术论文80余篇，申请国家发明专利19件。

木士春教授

武汉理工大学学科首席教授、博士生导师，主要从事质子交换膜燃料电池关键材料与核心器件、电化学产氢和碳纳米材料等研究工作。作为第一作者及通讯作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际权威期刊上发表250余篇高质量学术论文，以第一发明人申请国家发明专利近100件，其中授权70余件。

第一作者介绍

晋慧慧博士

于2013年、2015年、2020年在武汉理工大学分别获得学士、硕士和博士学位。目前，在武汉理工大学理学院从事博士后工作，合作导师为何大平教授。研究兴趣是开发基于非贵金属纳米材料的电催化剂和电化学传感器。

朱加伟博士

于2017年、2019年在武汉理工大学分别获得学士、硕士学位。目前，在武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室攻读博士学位，导师为木士春教授。研究兴趣是开发碳基以及贵金属基纳米材料电催化剂。