科技日報記者 王健高 通訊員 劉佳 王西龍
3月14日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所梁漢璞研究員帶領(lǐng)的能源材料與納米催化研究組開發(fā)簡易合成策略制備介孔單原子催化劑，實(shí)現(xiàn)電池壽命大幅提升。相關(guān)研究結(jié)果分別發(fā)表在《碳》和《今日能源材料》期刊上。
碳基過渡金屬單原子催化劑（M-N-C）因具有突出的元素利用率高、本征活性強(qiáng)以及相對于貴金屬極為廉價和豐富的優(yōu)勢，在電催化氧還原等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。但是現(xiàn)階段M-N-C催化劑也面臨著在堿性、酸性環(huán)境中穩(wěn)定性欠佳以及單原子活性位點(diǎn)暴露比例較低的瓶頸問題，這主要是由于常規(guī)熱解方法處理碳氮前驅(qū)體構(gòu)筑的M-N-C催化劑碳基底中的孔道結(jié)構(gòu)普遍以微孔為主，極易造成活性位點(diǎn)暴露受限和電解液深入擴(kuò)散受阻，影響了傳質(zhì)和催化效率。
圖1. 有機(jī)弱酸鹽輔助合成介孔Fe-N-C催化劑
為了構(gòu)筑性能優(yōu)良、穩(wěn)定性突出的氧還原催化劑，梁漢璞帶領(lǐng)的能源材料與納米催化研究組通過巧妙設(shè)計(jì)開發(fā)了一種非常簡易有效的利用有機(jī)弱酸鹽輔助熱解策略，以同時提升最終Fe-N-C催化劑中介孔分布和Fe單原子含量（如圖1所示）。系統(tǒng)的表征結(jié)果表明，在金屬有機(jī)框架聚合物為代表的有機(jī)晶體生成過程中加入有機(jī)弱酸鹽與過渡金屬前驅(qū)體，可以實(shí)現(xiàn)該絡(luò)合物的原位包覆，經(jīng)過后期簡易碳化處理可以實(shí)現(xiàn)3-5nm介孔的普遍分布，同時單原子Fe的摻雜量能夠提升近10倍，顯著不同于未添加有機(jī)弱酸鹽的全部微孔分布結(jié)構(gòu)。合成的介孔Fe-N-C催化劑在堿性環(huán)境下，表現(xiàn)顯著優(yōu)于文獻(xiàn)中普遍報道的10小時就會出現(xiàn)明顯衰減的現(xiàn)象，在鋅空燃料電池中也取得了良好應(yīng)用效果（如圖2所示）。本研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和結(jié)果可以為穩(wěn)定催化劑的簡易合成提供一種新的視角。
圖2. 有機(jī)弱酸鹽輔助合成的介孔Fe-N-C催化劑在鋅空燃料電池中的性能評價
為了進(jìn)一步提升過渡金屬單原子催化劑的應(yīng)用范圍和促進(jìn)鉑基材料氧還原催化效率，梁漢璞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)找到新策略，該策略可以實(shí)現(xiàn)鉑在水系合成的聚合物中的高度均勻分散，同時有效減緩鉑在后期熱解過程中因高溫發(fā)生的快速遷移和聚集長大。聚合物熱解過程中鈷節(jié)點(diǎn)會原位與鉑完成合金化并被聚合物熱解碳包覆，為在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下延長穩(wěn)定性提供結(jié)構(gòu)保障。該研究工作為合成具有碳包覆鉑基納米顆粒結(jié)構(gòu)材料和同時具有鉑基組分、過渡金屬單原子活性組分的新型高效催化劑提供了新思路，為探索在能源催化轉(zhuǎn)化、燃料電池應(yīng)用等領(lǐng)域的研究提供了新角度。
圖3. 原位絡(luò)合植入策略合成鉑基雜化結(jié)構(gòu)催化劑
（王西龍供圖）
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