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科研人员利用MIL-101开发出高效铁单原子氧还原催化剂

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中科院之声 2021-05-13 10:10

氧还原反应(ORR)是系列电化学能量转换器件(如金属-空气电池、燃料电池)中的重要阴极反应。商业上,主要选用铂(Pt)基材料作为ORR电催化剂驱动反应进行。而Pt金属储量稀少、价格高昂,不利于大规模应用。因此,开发性能优异且价格低廉的非贵金属催化剂变得尤为重要。当前,碳基负载的铁单原子催化剂(Fe SACs)作为非贵金属催化剂,被认为是商业Pt基催化剂最有潜力的替代品之一。金属有机骨架材料(MOFs)因高的比表面积特性,是制备Fe SACs常用前驱体。然而,目前所报道的大部分MOF衍生的催化剂孔道结构多以微孔为主,存在传质差和大量催化位点在微孔内难以参与反应的问题。为了充分利用活性位点,在催化剂中构筑大量介孔结构有望改善传质,并提高活性位点利用率。

中国科学院理化技术研究所研究员张铁锐课题组以富含介孔笼(介孔尺寸为2-3 nm)的金属有机框架材料MIL-101为前驱体,设计合成了具有介孔结构的铁单原子催化剂(Fe SAC-MIL-101),有效提高活性位点的利用率,实现了高效驱动ORR。相关研究结果以MIL-101-Derived Mesoporous Carbon Supporting Highly Exposed Fe Single-Atom Sites as Efficient Oxygen Reduction Reaction Catalysts为题,发表在Advanced Materials上。研究人员通过球差电镜观测到,Fe原子在碳载体上呈现高密度的原子级分布,扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)和拟合结果证实,单个铁原子周围配位四个氮原子,类似于自然界氧化酶的活性中心卟啉结构。透射电镜和孔径分布表明,所制备的铁单原子催化剂含有丰富的介孔,可以有效促进氧气与质子快速传输到催化活性位点上,提高活性位点的利用率。为了证实介孔结构对活性位点利用率的有利影响,研究人员同时以另一种常用的金属有机框架材料(ZIF-8)为前驱体,制备了富含微孔的铁单原子催化剂(Fe SAC-ZIF8-1000)作为对照组。实验结果表明,在铁载量接近的情况下,Fe SAC-MIL101-1000在碱性条件下的ORR活性(半波电位高达0.94 V)远胜于Fe SAC-ZIF8-1000(0.87 V)和商业Pt/C催化剂(0.87 V)。由于该催化剂优异的催化活性和快速的动力学特征,将其应用于锌空气电池空气电极的阴极催化剂时,大幅优化了锌空气电池的能量输出,能量密度可达理论值的91%(984.2 Wh kg-1)。Fe SAC-MIL101-1000在固态锌空电池中也展示了优异的能量转化特性,功率密度达50.6 mW cm-2,有望应用于可穿戴器件领域。该研究对于通过调控催化剂孔结构设计高效ORR催化剂具有借鉴意义。

理化所博士后谢小英为论文第一作者,张铁锐和项目研究员尚露为论文共同通讯作者。

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MIL-101基多孔铁单原子氧还原催化剂制备流程图

来源:中国科学院理化技术研究所



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