青島能源所開發隔離錨定策略原位合成鐵單原子催化劑

本文轉自：科技日報

科技日報記者 王健高實習記者宋迎迎 通訊員 曹莉娟

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所梁漢璞研究員帶領的能源材料與奈米催化研究組透過隔離錨定策略，製備了多孔氮摻雜碳負載的鐵單原子催化劑。透過該策略製備的Fe

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/NC催化劑在鹼性和酸性溶液中均表現出優異的氧還原催化效能，其具有較高的活性、較強的甲醇耐受性和良好的穩定性。這項工作對製備高效、穩定的金屬-空氣電池氧還原催化劑具有重要的意義。相關研究成果近期發表在國際碳材料期刊《碳》上。

單原子催化劑因其具有豐富的活性位點和超高的原子利用率而獲得廣泛研究。然而，利用現有的原子層沉積、浸漬吸附和光沉積等策略合成的單原子催化劑，存在金屬原子分散性差、金屬與載體之間相互作用弱等問題，從而限制了單原子催化劑的氧還原催化效能。

圖1。 Fe

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/NC的合成示意圖和結構表徵圖。曹莉娟製圖

青島能源所梁漢璞研究員帶領的能源材料與奈米催化研究組透過一種簡單的隔離錨定策略，製備了多孔氮摻雜碳負載的鐵單原子催化劑（Fe

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/NC，圖1）。該方法利用D-葡萄糖、葡萄糖酸鋅和組氨酸來分散和錨定鐵原子。首先，透過組氨酸的咪唑基團螯合Fe

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，實現金屬原子的初步錨定。其次，在水熱過程中，含有大量羥基的D-葡萄糖和葡萄糖酸鋅會在高溫高壓環境下與組氨酸中的羧基發生反應，進一步分散金屬原子。最後，透過高溫熱解去除鋅和多餘有機物後，即可得具有豐富孔結構的Fe

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/NC催化劑。

研究發現，與商業Pt/C催化劑和大多數報道的鐵單原子催化劑相比，透過該策略製備的Fe

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/NC催化劑在鹼性和酸性溶液中均表現出優異的氧還原催化效能，其具有較高的活性、較強的甲醇耐受性和良好的穩定性。更重要的是，用Fe

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/NC組裝的鋅空氣電池具有較高的功率密度，較大的放電比容量，以及超過300h的優異穩定性。這項工作對製備高效、穩定的金屬-空氣電池氧還原催化劑具有重要的意義。

該團隊前期工作取得了系列進展，以可迴圈再生的生物質為載體制備了Fe-N-C和Fe

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Pt

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/NC催化劑，利用金屬框架聚合物與金屬離子的強相互作用實現了Fe單原子在碳載體上的均勻分散，透過有機弱酸鹽輔助熱解策略構築了高效穩定的Fe-N-C單原子材料。