在堿性介質(zhì)中，F(xiàn)e-N-C催化劑具有優(yōu)異的氧還原反應(yīng)(ORR)性能。為了提高Fe-N-C催化劑中Fe單原子位點(diǎn)的固有ORR活性，微調(diào)Fe位點(diǎn)的局部配位以?xún)?yōu)化ORR中間體的結(jié)合能勢(shì)在必行。近日，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳和奧克蘭大學(xué)Geoffrey I.N. Waterhouse等成功合成了一種多孔FeN₄-O-NCR電催化劑，其中N摻雜碳納米棒(NCR)上富含F(xiàn)eN₄-O位點(diǎn)(其中Fe單原子與四個(gè)平面內(nèi)氮原子和一個(gè)亞表面軸向氧原子配位)。

研究人員首先制備了O，N-共摻雜的碳棒(O-NCR)，然后用微波輔助熱解在其表面錨定Fe-N₄位點(diǎn)，形成了穩(wěn)定的FeN₄-O-NCR異質(zhì)結(jié)構(gòu)。所制備的FeN₄-O-NCR具有分層多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積(1159 m² g^-1)和豐富的FeN₄-O活性位點(diǎn)，以?xún)?yōu)化氧的吸附和活化。通過(guò)理論密度泛函理論(DFT)計(jì)算探討了FeN₄-O-NC的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)Fe陽(yáng)離子的d軌道電子結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控可以降低ORR的熱力學(xué)勢(shì)壘。

FeN₄-O-NCR催化劑在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出顯著的ORR活性和穩(wěn)定性(E_onset=1.050V；E_1/2=0.942V；0.9V時(shí)J_k為39.56 mA cm^-2)。使用FeN₄-O-NCR作為陰極催化劑構(gòu)建的鋅-空氣電池，該電池具有非常高的功率密度(214.2 mW cm^-2)，大大超過(guò)了商用Pt/C催化劑(104.2 mW cm^-2)或其他最近報(bào)道的單原子催化劑構(gòu)建的鋅-空氣電池。綜上，軸向配體調(diào)控是微調(diào)金屬單原子位點(diǎn)以獲得最佳電催化活性的有效策略。

Mesopore-rich Fe-N-C catalyst with FeN₄-O-NC Single Atom Sites Delivers Remarkable Oxygen Reduction Reaction Performance in Alkaline Media. Advanced Materials, 2022. DOI: 10.1002/adma.202202544