向中华教授、水江澜教授 Adv. Sci.观点：高效单原子Fe-Nx活性位点电催化剂用于质子交换膜燃料电池- 大数跨境

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向中华教授、水江澜教授 Adv. Sci.观点：高效单原子Fe-Nx活性位点电催化剂用于质子交换膜燃料电池

科学材料站

2021-02-10

导读：该文章采用一步法合成了具有原子分散Fe-Nx活性位点的分级多孔碳材料作为酸性介质中的高效，低成本和稳定的氧还原（ORR）电催化剂

文章信息

高效单原子Fe-Nx活性位点电催化剂用于质子交换膜燃料电池

第一作者：郭佳宁

通讯作者：向中华*，水江澜*，李冰洁*

单位：北京化工大学，北京航空航天大学，河北师范大学等

研究背景

在实际的质子交换膜燃料电池（PEMFC）测试中，仍存在反应物难以接触催化层内部活性位点的问题，导致内部活性位点得不到有效利用。因此，除了改善催化剂中活性位点的密度及组成以外，物质快速进入催化剂层并最大程度地利用每个活性位点在催化中也起着至关重要的作用。

合适分级多孔结构可以促进催化剂内部的有效传质，从而提高活性位点的利用率。因此，合理设计催化剂的结构形态以在较大程度上锚定和暴露活性位点，促进ORR过程的相关物质在催化剂层中的质量传输，被认为是提高活性位点利用率和催化活性最有希望的方法之一。

文章简介

近日，来自北京化工大学的向中华教授与北京航空航天大学的水江澜教授合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Highly Accessible Atomically Dispersed Fe-Nx Sites Electrocatalyst for Proton-Exchange Membrane Fuel Cell”的文章。

该文章采用一步法合成了具有原子分散Fe-Nx活性位点的分级多孔碳材料作为酸性介质中的高效，低成本和稳定的氧还原（ORR）电催化剂，它是由一种以中/大孔隙为主的共价有机聚合物（COP）材料经高温煅烧制备的。COP材料中丰富的氮配位位点可以稳定单原子金属，提高催化剂的活性和稳定性。

此外，该工作通过控制锌的加入量来调控催化剂的孔径结构，使之具有合适的分级孔结构，并系统地研究了多孔结构对ORR性能的影响。热解过程中Zn的挥发不仅有利于微孔和中孔的形成，还可以在烧结过程中分离Fe，抑制其团聚。合适的分级多孔结构可增强活性位点的暴露，促进质量传输，从而保证活性位点的有效利用

图1. a)催化层孔隙结构示意图，b)催化剂在酸性介质中氧还原性能，c)质子交换膜燃料电池功率密度曲线

本文要点

要点一：多级孔结构的构建提高质量传输

非贵金属催化剂局部质量传输不足和稳定性差仍然是制约质子交换膜燃料电池的商业化应用的关键因素。理想的孔径结构可以协同优化电催化剂上的电子传导，氧气扩散和离子运输，使电解质和反应物能快速抵达催化层内部活性位点，这一点对于燃料电池的高输出功率和稳定性至关重要。

共价有机聚合物（COP）具有高的热稳定性和精准可控的结构，该文章通过设计富氮多孔COP材料，并结合Zn的造孔作用，制备得到多级孔结构的碳基催化剂，从而可提高催化剂中活性位点的利用率。

此外，该工作通过控制锌的加入量来调控催化剂的孔径结构，使之具有合适的分级孔结构，提高催化层的质量传输，并研究了多孔结构对催化剂氧还原及燃料电池性能的影响。

要点二：高效单原子催化剂

单原子催化剂由于其最大的原子利用效率和独特的尺寸量子效应被广泛用于制备高效ORR催化剂。然而，催化剂中并不是所有的金属活性位点，特别是埋在致密碳基体中未暴露的金属位点，都可以对ORR有较好的催化作用，这在很大程度上造成了难以接近的金属位点的浪费。

该文章通过合成富氮多孔COP催化材料，定向引入配位键结合的过渡金属原子，精准且牢固地锚定金属原子，同时热解过程中Zn的蒸发使金属原子分离，抑制其团聚，从而制备得到原子级分散的Fe-Nx活性位点。

此外，催化剂的多级孔结构可提高催化剂内部活性位点的利用率，从而提升催化剂的氧还原性能。

文章链接

Highly Accessible Atomically Dispersed Fe-Nx Sites Electrocatalyst for Proton-Exchange Membrane Fuel Cell

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202002249

通讯作者介绍

向中华教授.

北京化工大学化学工程学院教授，博导；国家优青，北京市杰青基金获得者。2007年获湘潭大学学士学位；2013年获北京化工大学博士学位；2013~2014年在美国凯斯西储大学进行博士后研究；2014年至今在北京化工大学工作。主要从事分子能源材料的分子设计与工程制备。近年来在《Science Adv.》、《J. Am. Chem. Soc.》、《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Adv. Mater.》等SCI期刊发表论文70余篇。被《Science》等SCI他引4500余次。授权发明专利9件。获中国化工学会第九届侯德榜化工科技青年奖；教育部自然科学一等奖（排名第二）。2017年入选第三届中国科协青年人才托举工程。任中国化工学会国际学术交流工作委员会委员；中国可再生能源学会氢能专业委员会委员；中国可再生能源学会青年工作委员会执行秘书长等。

水江澜教授.

北京航空航天大学，材料科学与工程学院，教授，博士生导师。本科就读于天津大学化工学院，先后于中国科学技术大学（2006年）和美国罗切斯特大学（2010年）获双博士学位，在美国阿贡国家实验室（2010-2013年）和凯斯西储大学（2013-2014年）进行博士后研究工作。研究领域包括电催化剂、储氢材料、质子膜燃料电池、锂-空气电池。迄今已发表SCI论文80余篇，包括《Nat. Catal.》, 《Nat. Nanotech.》, 《Nat. Commun.》,《Sci. Adv.》, 《PNAS》, 《J. Am. Chem. Soc.》, 《Adv. Mater.》, 《Adv. Energy Mater.》, 《Angew. Chem. Int. Ed.》, 《ACS Nano》, 《Nano Lett.》等国际著名期刊，高被引论文13篇；授权中国/美国发明专利3项，获“2016 R&D 100 Awards”和“2019中国百篇最具影响国际学术论文”等荣誉。

第一作者介绍

郭佳宁

河北师范大学化学与材料科学学院讲师， 2014年获得河南理工大学学士学位。2020获得北京化工大学博士学位。2018~2019年在美国凯斯西储大学戴黎明课题组进行交流学习。主要研究方向是能源材料制备与电催化性能研究。《Angew. Chem. Int. Ed.》、《ACS Nano》、《Nano energy》、《Advanced Science》等期刊上发表10余篇文章。

【课题组介绍】

北京化工大学分子能源材料研发中心（向中华课题组）成立于2014年7月，中心目前拥有教授1名、讲师1名，博士生5名及研究生28名。主要集中开发易裁剪且高稳定的共价有机聚合物材料（COP），注重以功能为导向、针对能源领域中的应用在分子层面上进行材料结构设计（《Adv. Sci.》2021, 2002249；《J. Am. Chem. Soc.》, 2015, 137, 13301; 《Adv. Mater.》, 2016, 28, 6253; 《Angew. Chem. Int. Ed.》2011, 50, 491）与工程制备（ZL201510674580.7; 《Adv. Fun. Mater.》 2020, 30, 1908079; 《Chem. Eng. Sci.》 2019, 195, 801）。典型成果包括COP在燃料电池阴极氧还原催化（《Science Adv.》 2019, 5, eaaw2322; 《Angew. Chem. Int. Ed.》, 2018, 57, 12567;《Nano Energy》2021, 80, 105533,《Adv. Mater.》, 2014, 26, 3315；《ACS Nano》, 2019, 13, 878；《ACS Energy Lett.》, 2017, 2, 1308; 《J. Energy Chem.》, 2017, 26, 1168）；锌空（液流）电池（《Nano Energy.》, 2019, 63, 103897; 2019, 63, 103822; 2018, 47, 361）；光电制氢（《Small》2021，10.1002/smll.202007576；《Chem. Eng. Sci.》, 2017, 162, 33; 《Nano Energy》, 2017, 35, 115;《Sci. Bulletin》, 2018, 63, 369）等领域的应用。

【课题组招聘】

课题组成员团结友爱，充满科研活力，具有非常好的合作与奋取精神。十分期待新人的加入，也十分欢迎开展合作研究。

现因研究工作需要，课题组拟招收课题组工作人员和博士后各1名:

一、申请条件

1、申请工作人员具有COF类材料制备、燃料电池与电催化等研究背景者，可独立完成国家和企业科研项目所要求的内容，形成高水平引领性研究成果。

2、具有国际化视野和团队合作精神，科研兴趣浓厚；

3、身心健康，工作态度踏实；

4、具有英文写作和交流的功底。

二、相关待遇

可办理北京集体户口，提供出国交流/合作机会，优秀者待遇和博士后出站后工作安排可以面商。达到北京化工大学引进人才标准，按照引进人才待遇兑现（https://rcb.buct.edu.cn/2020/0427/c3920a125706/page.htm），支持申请北京化工大学英才百人计划；优秀博士毕业生可申请北京化工大学师资博士后（正式事业编），支持申请国家博新计划。

请有意向者将个人详细简历（包括个人基本情况、教育背景和工作经历、科研工作概述、论文发表情况及其它成果）发送至：xiangzh@mail.buct.edu.cn。简历经过筛选后再进行面试，合格者办理入职、入站手续。