木士春团队Nano Res.：具有双铁活性中心的氮掺杂竹节状碳纳米管氧还原催化剂

探索高效、耐用的氧还原反应（ORR）电催化剂是发展锌-空气电池和燃料电池的必然选择。金属有机框架（MOFs）衍生单原子催化剂因具有Fe-N_x和吡啶-N等多个活性中心，被认为是ORR非贵金属催化剂的理想选择。然而，由于单原子催化剂中金属原子负载量极低，活性中心和活性位点数量有限，阻碍了该类型催化材料在电催化中的发展和应用。为了进一步增加单原子催化剂的活性中心数量和活性位点密度，可以采用原子分散的双活性中心策略，即考虑单个金属原子与超小金属团簇之间的协同催化效应。与单原子催化剂相比，原子分散的双活性中心催化剂不仅保持了单原子位点的优势，而且增加了活性中心，导致活性位点大量增长。此外，它还可以增加金属-载体之间的相互作用，促进电子的快速转移。氮掺杂碳纳米管（NCNTs）具有空心/多孔结构、活性氮基团、高比表面积、缺陷和天然通道等诸多优点，可以保证其较高的电化学活性和传质能力。因此，NCNTs可作为有效的金属载体。然而，构建包含大量原子级均匀分散的单原子和超小金属团簇双活性中心催化剂仍然面临很多困难。

本课题组首先利用湿化学浸渍法在水溶液中合成了Fe掺杂ZIF-8纳米晶（~60 nm），再经过一步热解获得了空心竹状NCNTs担载的双Fe协同催化剂（Fe-N_x/CNTs）。该催化剂中Fe单原子和超小Fe原子团簇共存且原子级均匀分散于空心竹状NCNTs界面。由于双Fe活性中心、适当的Fe/N掺杂和丰富的碳缺陷，获得的Fe-N-C催化剂表现出优于Pt/C的ORR活性和稳定性。

利用原子尺度的晶界工程，我们将原子分散的双Fe中心（单Fe原子和超小Fe原子团簇）加入到竹状NCNTs中，开发了一种具有高本征活性的ORR催化剂。利用Fe-N_x/CNTs原子界面上原子分散的双Fe中心，制备的催化剂具有极高的ORR活性（E_onset = 1.006 V；E_1/2 = 0.90 V），优于Pt/C。当用于锌-空气电池时，输出的功率密度高达137 mW•cm⁻²，并具有良好的稳定性。该研究结果为设计高效双金属中心电催化剂提供了一种新方法。

图1. 具有双铁活性中心的Fe-N-C催化剂合成过程

图2. 具有双铁活性中心的Fe-N-C ORR测试结果

图3. 将具有双铁活性中心的Fe-N-C催化剂的锌-空电池测试结果

刘苏莉，南京晓庄学院教授、硕士生导师，主要从事新能源材料、燃料电池关键材料、电化学催化剂等相关领域的研究。以通讯作者或第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Nano Energy、J. Mater. Chem. A等国际期刊发表SCI核心论文40余篇。

木士春，武汉理工大学学科首席教授、博士生导师，目前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。已在国际权威期刊上发表250余篇高质量学术论文，申请国家发明专利近100件，其中授权70余件。

Ligang Ma, Junlin Li, Zhiwei Zhang, Hao Yang, Xueqin Mu, Xiangyao Gu, Huihui Jin, Ding Chen, Senlin Yan^*, Suli Liu^* & Shichun Mu^*. Atomically dispersed dual Fe centers on nitrogen-doped bamboo-like carbon nanotubes for efficient oxygen reduction. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3845-6.

识别二维码或点击左下角“阅读原文”可访问全文