單原子催化劑因其具有豐富的活性位點(diǎn)和超高的原子利用率獲得了廣泛的研究。然而，利用現(xiàn)有報(bào)道的原子層沉積、浸漬吸附和光沉積等策略合成的單原子催化劑，存在金屬原子分散性差、金屬與載體之間的相互作用弱等問題，從而限制了單原子催化劑的氧還原催化性能。
圖1. Fe1/NC的合成示意圖和結(jié)構(gòu)表征圖
近期，青島能源所梁漢璞研究員帶領(lǐng)的能源材料與納米催化研究組通過一種簡單的隔離錨定策略，制備了多孔氮摻雜碳負(fù)載的鐵單原子催化劑（Fe1/NC，圖1）。該方法利用D-葡萄糖、葡萄糖酸鋅和組氨酸來分散和錨定鐵原子。首先，通過組氨酸的咪唑基團(tuán)螯合Fe3+，實(shí)現(xiàn)金屬原子的初步錨定。其次，在水熱過程中，含有大量羥基的D-葡萄糖和葡萄糖酸鋅會(huì)在高溫高壓環(huán)境下與組氨酸中的羧基發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步分散金屬原子。最后，通過高溫?zé)峤馊コ\和多余有機(jī)物后，即可得具有豐富孔結(jié)構(gòu)的Fe1/NC催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，與商業(yè)Pt/C催化劑和大多數(shù)報(bào)道的鐵單原子催化劑相比，通過該策略制備的Fe1/NC催化劑在堿性和酸性溶液中均表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原催化性能，其具有較高的活性、較強(qiáng)的甲醇耐受性和良好的穩(wěn)定性。更重要的是，用Fe1/NC組裝的鋅空氣電池具有較高的功率密度(164 mW cm 2)，較大的放電比容量為769.0 mA h gZn 1，以及超過300 h的優(yōu)異穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作對制備高效、穩(wěn)定的金屬-空氣電池氧還原催化劑具有重要的意義。
該團(tuán)隊(duì)前期工作取得了系列進(jìn)展，以可循環(huán)再生的生物質(zhì)為載體制備了Fe-N-C（Carbon, 2020, 157, 614-621.）和Fe1Pt1/NC催化劑（ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9, 1, 189-196.），利用金屬框架聚合物與金屬離子的強(qiáng)相互作用實(shí)現(xiàn)了Fe單原子在碳載體上的均勻分散（ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9, 1, 137-146.），通過有機(jī)弱酸鹽輔助熱解策略構(gòu)筑了高效穩(wěn)定的Fe-N-C單原子材料（Carbon, 2022, 191, 393-402.）。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Carbon《碳》上。青島能源所的博士生曹莉娟和時(shí)曉玥博士為該論文第一作者，通訊作者為梁漢璞研究員和中國科學(xué)院高能物理研究所的鄭黎榮研究員。上述工作得到了青島創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才基金，大連化物所-青島能源所兩所融合項(xiàng)目基金以及中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金的支持。
Lijuan Cao, Xiaoyue Shi, Yadong Li, Xilong Wang, Lirong Zheng*, Han-Pu Liang*. Isolation anchoring strategy for in situ synthesis of iron single-atom catalysts towards long-term rechargeable zinc-air battery. Carbon, 2022.
