李金成/冯东/邵敏华Angew.：弯曲Fe-N4位点的单原子催化剂提高ORR!
李金成/冯东/邵敏华Angew.：弯曲Fe-N4位点的单原子催化剂提高ORR!
研究内容
沸石咪唑盐骨架（ZIF）是合成原子分散Fe-N/C材料的最有效前体之一，是提高锌空气电池（ZABs）和质子交换燃料电池（PEMFC）性能的有前景的催化剂。然而，现有的ZIF衍生的Fe-N/C电催化剂大多由微孔材料组成，导致传质不足和电池/电池性能不足。
昆明理工大学李金成/冯东/香港科技大学邵敏华通过在ZnO纳米棒上热解氯化血红素改性的ZIF薄膜，合成了一种具有弯曲Fe-N 4 活性位点的原子分散的介孔/微孔Fe-N/C材料，记为FeSA-N/TC，该薄膜是由ZnO水解产生的Zn 2+ 与2-甲基咪唑之间的自组装反应获得的。FeSA-N/TC表现出优异的ORR性能，在碱性介质中的半波电位为0.925 V，在酸性介质中为0.825 V。当用作PEMFC和ZABs中的阴极催化剂时，FeSA-N/TC达到了高峰值功率密度（H 2 -O 2 PEMFC:1100 mW cm -2 ；H 2 空气PEMFC:715 mW cm -2 ；液态ZABs:228 mW cm -1 ；固态ZABs:112 mW cm -3 ），证明了其在实际应用中的可行性和效率。相关工作以“Meso/Microporous Single-Atom Catalysts with Curved Fe-N4sites Boost the Oxygen Reduction Reaction Activity”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。
研究要点
要点1.作者介绍了一种新的ZnO辅助合成介孔/微孔Fe-N/C催化剂的方法，称为FeSA-N/TC，其中弯曲的Fe-N 4 活性位点牢固地锚定在管状碳壁上。
要点2.作者通过一系列先进的表征技术，包括N 2 吸附/解吸等温线测量、原子分辨率透射电子显微镜（TEM）、X射线吸收光谱（XAS）和原位高能X射线衍射（XRD），阐明了这种独特的结构及其形成机制。
要点3.FeSA-N/TC的独特结构有助于其出色的电化学性能，在碱性介质中显示出0.925 V的ORR半波电位，在酸性介质中显示为0.825 V。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，弯曲的FeN 4 活性位点削弱了中间吸附，导致自由能势垒降低，ORR性能增强。此外，FeSA-N/TC表现出有前景的电池/电池性能，说明了其推动ZAB和PEMFC商业化的潜力。
研究图文
图1. （a）FeSA-N/TC合成过程的示意图。FeSA-N/TC的（b）SEM、（c）TEM和（d）HAADF-STEM。（e）FeSA-N/TC的元素图像。（f）ZnO@H-ZIF-8从25℃到1000℃的原位HEXRD。
图2. FeSA-N/TC和对比样品的（a）N 2 吸附-解吸等温线曲线和（b）孔径分布曲线。（c）XPS（at.%）和ICP-MS（wt.%）分析确定FeSA-N/TC的化学成分。FeSA-N/TC和参考样品的（d）Fe K-edge XANES和（e）傅里叶变换EXAFS。（f） R空间中FeSA-N/TC的第一壳（Fe-N）配合。（g）FeSA-N/TC、（h）FePc和（i）Fe箔的WT图。
图3. 在O 2 饱和的0.1 M HClO 4 中的ORR性能：（a）LSV极化曲线；（b）动电流密度图；（c）H 2 O 2 产率和电子转移数；（d）稳定性评估FeSA-N/TC的LSV极化曲线。在O 2 饱和的0.1 M KOH中记录的ORR性能：（e）LSV极化曲线；（f） 动电流密度图；（g）HO 2 - 产率和电子转移数；（h）用于稳定性评估的FeSA-N/TC的LSV极化曲线。（i）FeSA-N/TC与之前报道的无贵金属催化剂的ORR性能比较。
图4. 在ORR过程中，Fe-N-C和FeSA-N/TC在（a）U=0.825 V和（b）U=1.23 V下的自由能图。（d）弯曲FeSA-N/TC催化剂的ORR电催化机理遵循缔合途径。
图5. FeSA-N/TC、Fe-N/PC和Pt/C作为阴极催化剂在（a）H 2 -O 2 和（b）H 2 -Air环境中的PEMFC性能图。液态ZABs的（c）功率密度曲线、（d）速率性能和（e）比容量。固态ZABs的（f）功率密度曲线和（g）速率性能。（h）在不同弯曲条件下记录的OCV。
文献详情
Meso/Microporous Single-Atom Catalysts with Curved Fe-N 4 sites Boost the Oxygen Reduction Reaction Activity
Ying Yu, Yian Wang, Fei Yang, Dong Feng,* Mingyang Yang, Peng-Fei Xie, Yuanzhi Zhu, Minhua Shao,* Yi Mei, Jin-Cheng Li*
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI : https://doi.org/10.1002/anie.202415691