通过工程质子进料中心促进掺氮分级多孔碳的氧还原动力学
通讯作者：冯新亮*，张健*
电催化氧还原反应（ORR）是下一代电化学能量存储和转换技术（例如金属-空气电池和燃料电池）的重要过程。在ORR期间，O2*和O*中间体主要与质子结合形成OOH*和OH*物质，这是质子耦合的电子转移过程。
不幸的是，在碱性条件下，质子基本上是由缓慢的水离解过程产生的，这不可避免地限制了ORR动力学。为了使金属-空气电池能够大规模商业化，迫切需要用于缓慢的氧还原反应（ORR）的低成本而高性能的阴极催化剂。
近日，德国德累斯顿工业大学冯新亮教授、西北工业大学张健教授课题组在国际顶级期刊Energy & Environmental Science (影响因子：30.289) 上发表题为“Promoted oxygen reduction kinetics on nitrogen-doped hierarchically porous carbon by engineering proton-feeding centers”的研究工作。
该工作设计并合成了均匀分布的超细a-MoC纳米颗粒（a-MoC/NHPC）作为模型电催化剂的氮掺杂的分级多孔碳。理论研究表明，NHPC上的a-MoC可以有效降低水离解过程产生质子的能垒，最终促进质子偶联的ORR动力学。
在0.1 M KOH水溶液中，a-MoC/NHPC具有出色的ORR性能，具有0.88 V的高半波电势（VS.可逆氢电极），优于NHPC和市售Pt/C。此外，a-MoC/NHPC作为锌-空气电池中的空气电极，具有200.3 mW cm2的大峰值功率密度和长期稳定性。因此，设计质子进料中心的方法为了解ORR动力学和开发高性能ORR电催化剂开辟了一条新途径。
该文章共同第一作者为德国德累斯顿工业大学博士研究生Guangbo Chen和美国斯坦福大学博士后研究员Tao Wang ,冯新亮教授和张健教授为本文共同通讯作者。
要点一：密度泛函理论（DFT）计算表明a-MoC / NHPC中的a-MoC NPs可以有效降低水离解的动能垒
a-MoC / NHPC电催化剂上碱性溶液中水解离步骤和后续基本过程的示意图。
要点二：使用NaCl辅助的Mo12 / ZIF-8前体热解合成a-MoC / NHPC电催化剂及其表征结果。
（b）a-MoC / NHPC的HAADF-STEM图像，以及（c）相应的MoC NPs大小分布。
（d）元素映射图，显示了C（红色），N（黄色）和Mo（绿色）元素的分布。
（f）XRD图，（g）高分辨率Mo 3d XPS光谱，（h）NHPC和a-MoC / NHPC的N2吸附/解吸等温线。
要点三：在a-MoC / NHPC电催化剂上证明了加速的ORR动力学。
（b）0.80 V和E1 / 2时的Jk，以及（c）NHPC，a-MoC / NHPC和Pt / C的相应Tafel斜率。
（d）具有不同a-MoC含量的a-MoC / NHPC的E1 / 2。
要点四：质子进料的加速水离解动力学促进了PECT过程。
水在（a）NC，（b）a-MoC（111）和（c）a-MoC / NC表面上的吸附构型。
（d）水解离的示意性能量图和（e）NC，a-MoC（111）和a-MoC / NC催化剂在0 V超电势下的ORR的自由能图。
要点五：a-MoC / NHPC电极在复杂操作环境下的适用性及稳定性
（b）分别使用a-MoC / NHPC和Pt / C作为空气电极的一次Zn-空气电池的放电极化曲线和相应的功率密度图。
（c）以a-MoC / NHPC为阴极催化剂的Zn-空气电池的长期恒电流放电曲线，直到完全消耗Zn阳极为止。将比容量相对于消耗的Zn的质量标准化。（d）通过补充Zn阳极和电解质，以a-MoC / NHPC作为阴极催化剂的Zn-空气电池的放电曲线。（e）由两个串联的锌-空气电池供电的红色LED串联的照片。
在本工作中，我们证明了通过在a-MoC / NHPC模型电催化剂上设计水离解中心，水离解对于质子进料和最终加速碱性溶液中的ORR动力学起着至关重要的作用。
结果发现这种构造的α-MoC/ NHPC在碱性溶液中表现出优异的ORR活性，这优于贵金属Pt / C和最新的无贵金属的电催化剂。因此，质子进料中心的可行设计和对ORR动力学的深刻理解，不仅提供了有希望替代Pt的ORR催化剂，而且为探索低成本和高活性的能量转化电催化剂开辟了新的窗口，可应用在相关的催化反应包括氧还原，CO2还原，水分解和氮还原反应等。
Promoted oxygen reduction kinetics on nitrogen-doped hierarchically porous carbon by engineering proton-feeding centers
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee01613f#!divAbstract
冯新亮，教授，德累斯顿工业大学分子功能材料系主任。他于2001年获得分析化学学士学位，并于2004年获得有机化学硕士学位。然后，他加入马克斯·普朗克聚合物研究所攻读博士学位，并于2008年4月获得博士学位。2007年12月，他被任命为 作为马克斯-普朗克聚合物研究所的组长， 2010年6月成为上海交通大学有机材料研究所所长所长，2011年3月成为中国上海交通大学特聘教授 。2014年8月8日成为德国德累斯顿工业大学W3讲座教授。到目前为止，发表学术论文260余篇，在国际顶尖化学和材料学术杂志 (影响因子>10)J. Am. Chem. Soc, Angew. Chem. Int. Ed , Adv. Mater, Nano Letters等发表共计100余篇， 其中Nature 1篇,Nature Materials 1篇,Nature Chemistry 1篇, Nature Communications 8篇。
http://afo.sjtu.edu.cn/fengxingliang.html
https://tu-dresden.de/mn/chemie/mc/mc2/die-professur/Inhaber?set_language=en
张健，教授，博士生导师。2014年博士毕业于中国科学院大学山西煤炭化学研究所。2014-2017年先后在德国马普高分子研究所和德累斯顿工业大学进行博士后研究。2018年在德累斯顿工业大学分子功能材料研究所担任能源研究课题组长。2019年入选国家中组部青年人才计划，加入理学院应用化学系。目前研究方向为氢能催化材料与器件：通过界面效应、基底效应、材料结构和活性位点设计，促进氢能催化反应的动力学过程，制备高效、廉价、稳定的氢能催化材料。迄今共发表学术论文50篇，撰写Wiley英文专著1章，获授权发明专利3项。其中，第一作者和通讯作者论文25篇，包括Nat. Commun. (1篇)、 Angew. Chem. Int. Ed. (2篇)、 Adv. Mater. (8篇)、Energy Environ. Sci. (1篇)、Adv. Energy Mater. (1篇)、Nano Energy(1篇)、Joule(1篇)等，影响因子高于12的论文17篇；10篇论文入选 ESI高被引论文。2篇论文作为研究焦点分别在国际著名期刊Nat. Rev. Chem.和Nat. Rev. Mater.获得专题评述。
https://teacher.nwpu.edu.cn/jianzhang
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