燃料電池和金屬空氣電池在可再生能源存儲系統中受到了廣泛關注。然而，陰極電化學氧還原反應（ORR）緩慢的動力學和高過電勢已成為這兩類有前景的能源技術應用的關鍵挑戰。貴金屬Pt基催化劑是目前最有效的ORR催化劑，但由于稀缺性和耐久性較差而難以大規模應用。在過去幾年中，單原子催化劑（SAC）由于高本征活性和最大化原子利用效率的優勢而成為替代鉑基催化劑的有希望的候選者。與具有單個活性位點的SAC相比，具有相鄰長程相互作用的雙活性位點的雙原子催化劑更有利于優化局部電子云分布和配位幾何構型。相較于一般過渡金屬，稀土元素很少被用于原子催化劑中，因此合理制備含有p軌道和f軌道元素的雙原子催化劑并理解其協同調控機制仍然具有挑戰性。
面對這樣的挑戰，香港理工大學黃勃龍課題組與南開大學杜亞平課題組通過基于ZIF-8的骨架，在氮摻雜碳載體上構建了具有均勻分散的稀土Ce和類金屬Se雙原子位點的原子催化劑。Se的引入不僅可以通過非成鍵長程相互作用有效調節Ce單原子的局域電子結構，還有利于形成具有豐富缺陷的多孔結構，這確保了活性位點最大程度的暴露，有助于加速反應中的物質傳輸。因此，該工作所制備的 Ce-Se 雙原子催化劑表現出優異的ORR 性能，實現了0.886 V 的半波電位，并且在堿性電解液中具有長效穩定性，明顯比僅用 Ce 或 Se單原子催化劑具有更好的催化性能。基于Ce-Se 雙原子催化劑的鋅空氣電池在 296.7 mA cm?2的電流下實現了比商用 Pt/C 電池更高的最大功率密度，達到了209.2 mW cm?2。DFT理論計算表明，Se 單原子位點的引入不僅增加費米能級附近的電子密度提高了電子轉移效率，還保證了催化劑表面富電子特征，從而保證了中間體在催化過程中的穩定結合和最佳的過電勢。該工作有利于拓展稀土單原子催化劑的開發與設計，并進一步為提高催化性能用于更多催化反應提供了重要的研究思路。
圖1：雙原子催化劑合成路線與基本形貌表征。
杜亞平教授，理學博士，教授，博士生導師。現任天津市稀土材料與應用重點實驗室主任，南開大學稀土與無機功能材料研究中心副主任。2004年在蘭州大學獲理學學士學位，2009年在北京大學獲博士學位。近期的研究工作主要集中在新型稀土納米結構的研究，承擔和參加國家自然科學基金優青、面上項目、天津市杰青和京津冀協同創新重點項目等研究課題。近五年以通訊作者或第一作者在Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等刊物發表論文130余篇，并擔任中國稀土學會光電材料與器件專業委員會委員，中國稀土學會稀土晶體專業委員會青年委員，中國化學會高級會員，兼任期刊RSC Advances副主編，中國化學快報（Chinese Chemical Letters）青年編委、中國稀土學報（Journal of Rare Earths，中、英文版）青年編委、稀土（Chinese Rare Earths）編委等。
黃勃龍教授，2007年畢業于北京大學物理系，同年前往劍橋大學從事材料理論研究，并于2012年獲得博士學位。2012-2015年，黃勃龍教授于北京大學跟隨嚴純華院士并在其指導下開展博士后研究, 后赴香港城市大學和香港理工大學繼續博士后的相關研究，并于2015年入職香港理工大學，目前擔任應用生物及化學科技學系副教授與碳戰略催化研究中心主任。黃勃龍教授的研究方向主要為納米材料、能源材料、固體功能材料和稀土材料的電子態性質，以及在能源材料納米表界面、多尺度下的能源轉換應用等。目前黃勃龍教授共發表SCI論文298篇，包括Nature，Science，Energy Environ. Sci.，J. Am. Chem. Soc., Chem. Soc. Rev.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.等國內外頂級雜志，H-index為75，文章引用次數超過19000次, 并多次被選為封面推薦文章。黃勃龍教授被評為2022、2023年科睿唯安高被引學者，2022、2023年斯坦福大學評選的全球Top2%高被引學者等。此外，還擔任《Battery Energy》、《Frontiers in Chemistry》副主編，《JACS Au》、《Nano Research》、《中國稀土學報》、《稀有金屬》、《稀土》的青年編輯或編委，30余次受邀在國內國際重要學術會議上做邀請報告，其中包括2019美國材料年會等，并為多個高影響力期刊如Nat. Phys.,Nat. Commun., Joule, Matter, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Catal., Nano Energy, Energy Environ. Sci.等擔任特邀審稿人。
Yin L, Zhang S, Sun M, et al. Non-bonding modulations between single atomic cerium and monodispersed selenium sites towards efficient oxygen reduction. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6416-9.
原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/01/27/443cfa55d1/