随着传统化石能源的日益枯竭，发展新型、高效的可持续能源存储与转换技术已成为未来能源战略中的重要组成部分。其中可再生电化学能量转换和存储系统，包括燃料电池、金属空气电池等以其成本低、无毒、无污染、比功率高、比能量高等优点，被称为是面向未来的绿色能源装置。但目前该类电池在商业化应用方面仍然面临诸多问题，比较突出的是电池阴极的氧气还原反应（ORR）动力学速率缓慢，过电位大造成了电池输出功率和效率的大幅降低。贵金属催化剂可以加速ORR反应，但是贵金属储量少、价格昂贵且容易失活。因此，寻求高效、稳定且廉价的阴极电催化剂是金属空气电池走向商业化应用的关键课题。
近年来，氮配位的碳基单原子催化剂（SACs）具有原子利用率高、活性位结构明确、电子结构易调控等优点，已经成为一类非常有潜力的ORR催化剂。有鉴于此，河北农业大学理学院王春教授课题组采用“配位设计策略”制备了单原子Fe锚定在氮掺杂的碳纳米片上的催化剂（A-Fe-NC）。作者利用g-C3N4作为二维模板和氮源，以对苯二甲酸和三乙烯二胺为配位剂，高温热解牺牲模板后，制备得到具有独特二维褶皱结构的单原子A-Fe-NC催化剂。
图1. A-Fe-NC催化剂的制备及其结构表征
实验结果表明，将对苯二甲酸与Fe离子螯合，同时加入大量的含氮双齿配体DABCO以及二维片层的g-C3N4作为支撑等手段皆是合成高质量Fe单原子催化剂的关键条件。双配体的使用可在g-C3N4表面辅助锚定金属，阻止活性物种碳化过程中的迁移，确保其最终高度分散在NC载体上。另一方面，催化剂的二维纳米片状结构不仅有利于传质，而且为氧还原反应提供了更多的活性位点。
图2. 催化剂的X射线吸收光谱
通过X射线吸收光谱表征发现，Fe与五个N锚定在一起，形成Fe-N5结构。得益于Fe-N5结构和独特的二维片层结构，该催化剂在碱性媒介中表现出了比商业Pt/C催化剂更好的ORR性能，RDE以及RRDE测试结果表明，整个反应过程以4e-反应为主，其半波位为0.865 V。A-Fe-NC催化剂在3000次循环伏安测试后仍表现出极好的稳定性。用A-Fe-NC作为空气正极材料组装的锌空气电池具有132.2 mW cm-2的高功率密度，并且在充放电循环240 h后仍能保持稳定，证明了其优异的充放电循环性能，优于商业Pt/C电催化剂。
图3. 基于A-Fe-NC的碱性锌空气电池电化学性能
日前，我国已经向世界做出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的庄严承诺。因此，在当今能源产业格局中，能够取代传统化石能源燃料的清洁能源电池将极大地推进金属空气电池的发展，也希望在不久的将来这些安全、高效、环保的能源技术可以真正的为我们的生活带来便利。
该研究成果最近发表在Chemical Engineering Journal 上，论文的第一作者为河北农业大学商宁昭副教授，河北农业大学王春教授、燕山大学乔玉卿教授、河北大学高勇军教授为论文共同通讯作者。
Atomically dispersed iron on nitrogen-decorated carbon for high-performance oxygen reduction and zinc-air batteries
Ningzhao Shang, Chun Wang*, Xiaoyu Zhang, Shutao Gao, Shuaihua Zhang, Tao Meng, Junmin Wang , Haijun Wang, Congcong Du, Tongde Shen, Jianyu Huang, Yuqing Qiao*, Qiuhua Wu, Yongjun Gao*
Chem. Eng. J., 2021, 426, 127345, DOI: 10.1016/j.cej.2020.127345
导师介绍
王春
https://www.x-mol.com/university/faculty/114609
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