科技日報記者 王健高 通訊員 劉佳 王西龍
3月14日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所梁漢璞研究員帶領(lǐng)的能源材料與納米催化研究組開發(fā)簡易合成策略制備介孔單原子催化劑，實現(xiàn)電池壽命大幅提升。相關(guān)研究結(jié)果分別發(fā)表在《碳》和《今日能源材料》期刊上。
碳基過渡金屬單原子催化劑（M-N-C）因具有突出的元素利用率高、本征活性強以及相對于貴金屬極為廉價和豐富的優(yōu)勢，在電催化氧還原等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。但是現(xiàn)階段M-N-C催化劑也面臨著在堿性、酸性環(huán)境中穩(wěn)定性欠佳以及單原子活性位點暴露比例較低的瓶頸問題，這主要是由于常規(guī)熱解方法處理碳氮前驅(qū)體構(gòu)筑的M-N-C催化劑碳基底中的孔道結(jié)構(gòu)普遍以微孔為主，極易造成活性位點暴露受限和電解液深入擴散受阻，影響了傳質(zhì)和催化效率。
圖1. 有機弱酸鹽輔助合成介孔Fe-N-C催化劑
為了構(gòu)筑性能優(yōu)良、穩(wěn)定性突出的氧還原催化劑，梁漢璞帶領(lǐng)的能源材料與納米催化研究組通過巧妙設(shè)計開發(fā)了一種非常簡易有效的利用有機弱酸鹽輔助熱解策略，以同時提升最終Fe-N-C催化劑中介孔分布和Fe單原子含量（如圖1所示）。系統(tǒng)的表征結(jié)果表明，在金屬有機框架聚合物為代表的有機晶體生成過程中加入有機弱酸鹽與過渡金屬前驅(qū)體，可以實現(xiàn)該絡(luò)合物的原位包覆，經(jīng)過后期簡易碳化處理可以實現(xiàn)3-5nm介孔的普遍分布，同時單原子Fe的摻雜量能夠提升近10倍，顯著不同于未添加有機弱酸鹽的全部微孔分布結(jié)構(gòu)。合成的介孔Fe-N-C催化劑在堿性環(huán)境下，表現(xiàn)顯著優(yōu)于文獻中普遍報道的10小時就會出現(xiàn)明顯衰減的現(xiàn)象，在鋅空燃料電池中也取得了良好應(yīng)用效果（如圖2所示）。本研究試驗設(shè)計思路和結(jié)果可以為穩(wěn)定催化劑的簡易合成提供一種新的視角。
圖2. 有機弱酸鹽輔助合成的介孔Fe-N-C催化劑在鋅空燃料電池中的性能評價
為了進一步提升過渡金屬單原子催化劑的應(yīng)用范圍和促進鉑基材料氧還原催化效率，梁漢璞帶領(lǐng)團隊找到新策略，該策略可以實現(xiàn)鉑在水系合成的聚合物中的高度均勻分散，同時有效減緩鉑在后期熱解過程中因高溫發(fā)生的快速遷移和聚集長大。聚合物熱解過程中鈷節(jié)點會原位與鉑完成合金化并被聚合物熱解碳包覆，為在強腐蝕環(huán)境下延長穩(wěn)定性提供結(jié)構(gòu)保障。該研究工作為合成具有碳包覆鉑基納米顆粒結(jié)構(gòu)材料和同時具有鉑基組分、過渡金屬單原子活性組分的新型高效催化劑提供了新思路，為探索在能源催化轉(zhuǎn)化、燃料電池應(yīng)用等領(lǐng)域的研究提供了新角度。
圖3. 原位絡(luò)合植入策略合成鉑基雜化結(jié)構(gòu)催化劑
（王西龍供圖）
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