鹽模板輔助制備多種過渡金屬單原子催化劑用于高效氧還原

研 究 背 景

能源短缺和環境惡化問題日益突出，急需開發可再生能源儲存和轉換技術。鋅-空氣電池（ZAB）因具有理論能量密度高、環境友好和安全性高等優點而受到廣泛關注。作為ZAB的關鍵反應，陰極氧還原反應（ORR）往往因其巨大的活化能壘和遲緩的動力學，限制了ZAB的大規模商業化應用。

單原子催化劑（SACs）由于其最高的原子利用率、不飽和的配位環境和獨特的電子結構等特點，表現出較好的催化性能，在各種電催化反應中得到了廣泛的研究。因此，迫切需要尋找一種低成本、簡便的方法合成原子分散M-Nx位點以改善ORR性能。

文 章 簡 介

基于此，來自哈爾濱工業大學（深圳）的徐成彥教授與中國科學院福建物質結構研究所的溫珍海教授合作，在國際期刊Small上發表了題為“Transition Metal (Co, Ni, Fe, Cu) Single-Atom Catalysts Anchored on 3D Nitrogen-Doped Porous Carbon Nanosheets as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts for Zn–Air Battery”的文章。

本文根據密度泛函理論計算 (DFT) 預測，四種過渡金屬SACs的本征ORR活性遵循Co > Fe > Ni ≈ Cu的趨勢，其中Co SACs由于最佳的自旋密度，具有最佳的ORR活性。在理論計算指導下，通過簡便的鹽模板輔助策略，合成了嵌入在三維多孔氮摻雜碳納米片中的四種過渡金屬單原子 (MSAs@PNCN, M = Co, Ni, Fe, Cu)。

研究表明，MSAs@PNCN的ORR活性趨勢與理論預測一致，其中Co SAs@PNCN表現出與Pt/C相當的最佳堿性ORR活性。X射線吸收結構 (XAFS) 光譜證實原子級分散的Co-N4配位是ORR催化主要活性位點。高活性的Co-N4位點和獨特的三維多孔結構使Co SAs@PNCN具有優異的ORR性能。此外，采用Co SAs@PNCN催化劑為陰極的鋅空氣電池表現出高的輸出功率密度和很好的循環穩定性。

圖1. 密度泛函理論計算

圖2. Co SAs@PNCN的合成示意圖和形貌表征

圖3. MSAs@PNCN的XRD、Raman、BET和XPS表征

圖 4. Co SAs@PNCN的XAFS結構表征

圖5. 不同催化劑在0.1 M KOH溶液中的ORR性能

圖6. Co SAs@PNCN和Pt/C作為陰極催化劑組裝的鋅空氣電池性能

本 文 要 點

要點一：密度泛函理論計算預測ORR活性

DFT計算預測，四種過渡金屬單原子催化劑的本征ORR活性遵循Co > Fe > Ni ≈ Cu的趨勢，其中Co單原子由于最佳的自旋密度，具有最佳的ORR活性。

要點二：四種過渡金屬單原子催化劑的成功制備以及優異的ORR活性

在DFT計算的指導下，通過一種簡便的NaCl鹽模板輔助策略合成了四種錨定在3D多孔氮摻雜碳納米片中的過渡金屬單原子催化劑 (MSAs@PNCN, M = Co, Ni, Fe, Cu)，并探究了其ORR活性。研究發現，合成的四種單原子催化劑中，所制備的Co SAs@PNCN具有最佳的堿性ORR性能，半波電位為 0.851 V，和商用 Pt/C (0.848 V) 相媲美，和理論計算的活性順序一致。

要點三：優異的鋅空氣電池性能

以Co SAs@PNCN作為空氣陰極催化劑組裝的鋅空氣電池顯示出高的開路電位 (1.48 V)，較大的功率密度 (220 mW cm-2)，以及超過 530圈循環的穩定性。

審核編輯 ：李倩