新疆理化所等：非贵金属氧还原催化剂研究中取得进展

【成果简介】

中国科学院新疆理化技术研究所胡广志研究团队与瑞典于默奥大学Thomas Wagberg研究团队以及北京大学郭少军研究团队开展合作，利用硬模板夹芯合成法成功制备了表面功能化负载Fe-N-C催化活性中心的新型ORR催化剂材料，并通过Fe前驱体含量调控优化材料表面活性位的含量，实现在碱性条件下优于商业铂碳的ORR催化性能。相关成果以“Synergistic Effect between the Atomically Dispersed Active Site of Fe-N-C and C-S-C for ORR in Acidic Medium”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

【图文导读】

图1 Fe / SNC的特征图

（a）Fe / SNC的TEM图像;

（b），（c）Fe / SNC的HAADF STEM图像；

（d-h）Fe / SNC的（c）区域中的碳，氧，氮，铁和硫的EDS图。

图2 Fe⁵⁷ / SNC的⁵⁷Fe Mössbauer光谱和Fe / SNC的EXAFS光谱的傅立叶变换

（a）Fe⁵⁷ / SNC的⁵⁷Fe Mössbauer光谱；

（b）Fe / SNC的EXAFS光谱的傅立叶变换。

【研究内容】

作为可持续能源利用技术，燃料电池与金属-空气电池中阴极上氧气还原反应（ORR）的催化剂决定了能量转化效率以及电池成本。作为有望取代传统贵金属铂催化剂的Fe-N-C材料，因具有多相复杂的结构，对其活性位的定性以及定量一直是这类非贵金属催化剂研究的难题。

中国科学院新疆理化技术研究所胡广志研究团队与瑞典于默奥大学Thomas Wagberg研究团队以及北京大学郭少军研究团队开展的合作中，球差电镜面扫描结果显示，元素Fe、N、C均匀分布在材料表面，通过对⁵⁷Fe的Mößbauer谱解析证明Fe只与N配位形成Fe-N结构；通过X-射线精细吸收谱（EXAFS）进一步证明Fe周围N的配位数是2，因此合成的材料活性中心主要以FeN₂存在；采用X光电子能谱有效定量了合成材料表面FeN₂含量。密度泛函计算表明，在碱性条件下，由于对中间产物O*和OH*吸附作用较弱，以及较强的电子传输能力，FeN₂结构催化ORR活性高于常规FeN₄结构。

该研究工作中单一的FeN₂活性结构为建立材料催化ORR反应的半波电位(E_1/2)与活性位数量间的数学关系提供了理想模型。结合Butler-Volmer方程，为预测此类材料的催化性能提供了理论支持与实验证明。

科研人员进一步通过引入杂原子硫，在Fe-N-C附近形成的C-S-C结构，由于S的电负性，降低了附近活性中心Fe的电子云密度，从而促进材料对O₂的吸附活化，进一步提高了材料在酸性条件下催化ORR活性。

原文链接：http://www.cas.cn/syky/201709/t20170907_4613621.shtml。

文献链接：Synergistic Effect between the Atomically Dispersed Active Site of Fe-N-C and C-S-C for ORR in Acidic Medium（Angewandte Chemie International Edition，2017，DOI：10.1002/anie.201706602）

本文由材料人编辑部王冰编辑，点我加入材料人编辑部。

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