近日，昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院馮東博士、李金成副教授、梅毅教授與香港科技大學(xué)邵敏華教授合作，在高性能非貴金屬燃料電池催化劑研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Meso/MicroporousSingle-AtomCatalystswithCurvedFe-N₄sitesBoosttheOxygenReductionReactionActivity”為題發(fā)表在化學(xué)頂級(jí)期刊Angewandte Chemie International Edition上。

針對(duì)燃料電池規(guī)模化應(yīng)用面臨的鉑貴金屬催化劑成本高、活性和耐久性不足等關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題，單原子Fe-N/C材料被認(rèn)為是當(dāng)前最有發(fā)展前景的非貴金屬燃料電池催化劑，其活性位點(diǎn)為平面Fe-N₄配位結(jié)構(gòu)。金屬有機(jī)框架ZIF-8材料的配位結(jié)構(gòu)與Fe-N/C的活性位點(diǎn)高度相似，因此被認(rèn)為是合成高活性Fe-N/C材料的最有效前驅(qū)體。然而，目前ZIF-8衍生的Fe-N/C催化劑主要為微孔材料，導(dǎo)致其在燃料電池中的傳質(zhì)受到限制，從而影響了電池性能。此外，平面Fe-N₄配位結(jié)構(gòu)的本征活性仍需進(jìn)一步提升。

基于此，該研究提出了一種ZnO輔助策略，通過(guò)棒狀ZnO水解產(chǎn)生的Zn²⁺與2-甲基咪唑之間的自組裝反應(yīng)，制備氯化血紅素修飾的ZIF-8薄膜，隨后通過(guò)熱解獲得中空管狀Fe-N/C材料（FeSA-N/TC）。該材料的管壁富含層次介孔和微孔，且Fe-N₄活性位點(diǎn)被錨定在小尺寸的納米孔內(nèi)部，形成彎曲應(yīng)力，從而提升其本征催化活性。因此，F(xiàn)eSA-N/TC在氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在堿性條件下半波電位可達(dá)0.925 V，在酸性介質(zhì)中可達(dá)0.825 V。作為陰極催化劑應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和鋅空氣電池（ZAB），其電池功率密度也表現(xiàn)出極高的值（氫氧PEMFC：1100 mW cm^-2，氫空氣PEMFC：715 mW cm^-2，液態(tài)ZAB：228 mW cm^-2，固態(tài)ZAB：112 mW cm^-2）。此外，利用原位變溫高能XRD和DFT理論計(jì)算揭示了催化劑的合成機(jī)制及其電催化氧還原反應(yīng)的機(jī)理。本研究為能源器件中高性能催化劑的設(shè)計(jì)、制備及其催化機(jī)制的研究提供了新的指導(dǎo)。

FeSA-N/TC催化劑的制備示意圖及結(jié)構(gòu)表征

論文的第一作者為昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院2022級(jí)碩士研究生余穎，通訊作者為昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院馮東博士、李金成副教授和香港科技大學(xué)邵敏華教授。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52102046）、云南省優(yōu)青（202301AW070016）、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（202201AU070113）及云南省磷化工節(jié)能與新型磷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202415691