王定胜教授， Angew. Chem. Int. Edi. 观点：邻近的Pt原子位点助力Fe单原子实现高效ORR催化活性- 大数跨境

首页

王定胜教授， Angew. Chem. Int. Edi. 观点：邻近的Pt原子位点助力Fe单原子实现高效ORR催化活性

科学材料站

2021-06-30

导读：该文章通过密度泛函理论（DFT）计算和实验相结合手段论证了Fe-N4和Pt-N4共存与ORR性能之间的调控关系。

文章信息

邻近的Pt原子位点助力Fe单原子实现高效ORR催化活性

第一作者：韩阿丽

通讯作者：王定胜*

单位：中国清华大学

研究背景

氧气还原反应 (ORR)是燃料电池和金属空气电池等多种能量转换和存储技术中最重要的催化过程之一，因此引起科学家的广泛关注。

近几年随着单原子催化剂的迅速发展，以Fe-N4为主的非贵金属催化材料由于其高效的ORR活性和低廉的成本，被认为是最有可能替代贵金属Pt基催化剂的理想材料。

然而，与商业化Pt/C 催化剂相比，对称的Fe-N4 电子分布结构使其对氧中间体（例如，OOH*、O* 和 OH*）的吸附能不会达到最优。因此用廉价的Fe-N4 催化剂替代 Pt基贵金属催化剂，同时在实际应用中表现出优异的催化性能和长时间稳定性仍然面临巨大挑战。

文章简介

基于此，来自清华大学的王定胜教授，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Adjacent Atomic Pt Site Enables Single-Atom Iron with High Oxygen Reduction Reaction Performance”的研究性文章。

该文章通过密度泛函理论（DFT）计算和实验相结合手段论证了Fe-N4和Pt-N4共存与ORR性能之间的调控关系。

图1. 理论计算为指导的Pt-N4位点对Fe-N4位点的O2吸附和电子结构的调控。

本文要点

要点一：电子结构调控匹配，促进ORR活性

理论研究表明，Pt-N4位点的引入可以大大促进O2在Fe-N4位点的吸附和O-O键断裂。并调节Fe d和O p轨道的再杂化，优化氧中间体的吸附，从而降低ORR过电势，加速整个ORR动力学过程。

要点二：双金属组合，达到最优催化性能

研究人员设计并合成了最佳的Fe-N4/Pt-N4@NC，它具有0.93 V的超高半波电位、持久的催化稳定性和较高的甲醇耐受性，优于商用Pt/C和已报道的大多数金属基SACs在碱性溶液中的电催化ORR活性。

此外，基于Fe-N4/Pt-N4@NC催化剂的锌-空气电池具有优异的性能和充放电耐久性，在金属-空气电池中具有良好的应用前景。

要点三：电子结构调控不匹配，性能差别大

受Fe-N4调制效应的启发，研究人员分析了Pt-N4位点的引入对Co-N4/Pt-N4和Mn-N4/Pt-N4体系ORR活性的影响。然而，理论和实验结果都表明，Pt-N4的加入对Co-N4/Pt-N4@NC体系的ORR性能的提升基本可以忽略不计。

相反，Mn-N4/Pt-N4@NC体系表现出相对于Mn-N4@NC较低的ORR活性。理论计算研究发现，这是由于Mn-N4/Pt-N4@NC体系中，Mn-N4位点对OH*的吸附能过强所致。

文章链接

“Adjacent Atomic Pt Site Enables Single-Atom Iron with High Oxygen Reduction Reaction Performance”

https://doi.org/10.1002/anie.202105186

通讯作者介绍

王定胜教授。

王定胜教授于1982年出生。2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位。2009年于清华大学化学系获理学博士学位。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究。2012年7月加入清华大学化学系，被聘为讲师，2012年12月，晋升为副教授。2015年获博士生导师资格。2012年获全国优秀博士学位论文奖。2013年获国家优秀青年科学基金。2018年获青年拔尖人才计划。王定胜课题组一直致力于无机纳米材料化学研究领域，以无机纳米合成化学为基础，主要从事金属纳米晶、团簇及单原子为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。

课题组已经在国际知名学术期刊发表学术论文100余篇，包括Nat. Catal.，Nat. Chem.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际知名期刊。