强！这个团队一周两篇顶刊！

2022年10月24日和10月30日，澳大利亚格里菲斯大学教授团队与其他课题组合作分别在Angew. Chem. Int. Ed.（IF=16.823）、Adv. Funct. Mater.（IF=19.924）上发表了最新成果，即“Edge-hosted Atomic Co-N₄ Sites on Hierarchical Porous Carbon for Highly Selective Two-electron Oxygen Reduction Reaction”和“Atomic Modulation and Structure Design of Fe-N₄ Modified Hollow Carbon Fibers with Encapsulated Ni Nanoparticles for Rechargeable Zn-Air Batteries”。

值得注意的是，两篇文章的第一作者均是田玉辉博士。下面，对这两篇成果进行简要的介绍，以供大家学习和了解！

Angew. Chem. Int. Ed.：Co-N/HPC实现高选择性双电子ORR

开发具有高效率和高选择性的电催化剂，对于高性能、低成本和可持续的储能应用至关重要。基于此，澳大利亚格里菲斯大学张山青教授和上海理工大学Yuhai Dou（共同通讯作者）等人报道了他们系统的研究了碳负载单原子催化剂（SACs）对氧还原反应（ORR）路径（双电子，2e⁻或四电子，4e⁻）的边缘效应，发现2e⁻-ORR在边缘负载Co-N₄原子位点上比在基面负载Co-N₄原子位点上更有利。密度泛函理论（DFT）计算表明，边缘负载的Co-N₄原子位点在热力学上比基面位点更有利于2e⁻-ORR。在实验中，原子分散的Co-N₄基团被固定在具有不同边体积比的碳基板上。

当Co-N₄位点固定在分层多孔碳（HPC）上时，Co-N/HPC催化剂具有丰富的边缘活性位点，在碱性介质中对2e⁻-ORR具有高达95%的选择性，而基面Co-N₄主导的石墨烯薄片（Co-N/GFs）表现出通向ORR的准4e⁻途径。更重要的是，作者发现在长期的ORR操作中，含氧官能团（OFGs）可以很容易地饱和碳宿主的边缘。进一步的实验和理论研究表明，改性OFGs可以在保持90%以上选择性，同时进一步促进2e⁻-ORR动力学。该研究为Co SACs中2e⁻-ORR高选择性的起源提供了机理上的见解。

图文速递

图1.DFT计算

图2. Co-N/HPC的合成示意图与形貌表征

图3. Co-N/HPC的光谱表征

图4. Co-N/HPC的催化性能

图5. Co-N/HPC的结构表征

小结

总之，作者阐明了边缘结构在控制Co-SACs上的ORR途径（即2e⁻和4e⁻）方面的重要作用。DFT计算表明，边缘负载Co-N₄位点具有高选择性的2e⁻-ORR催化活性，而基面负载Co-N₄位点则是4e⁻-ORR。作者制备了具有不同边体积比的碳负载Co-SACs，其中Co-N/HPC催化剂具有约95%的选择性，高H₂O₂生成速率（1.72 mol h^-1 g_cat^-1）和高FE（>90 %）。更重要的是，作者观察到暴露的边缘在ORR过程中容易与氧官能团氧合，促进了2e⁻-ORR动力学，并使选择性保持在90%以上。该发现强调了对SACs上ORR通路的锚定位点和官能团的微调，为实现大规模和低成本的电化学生产H₂O₂提供了一条新途径。

Edge-hosted Atomic Co-N₄ Sites on Hierarchical Porous Carbon for Highly Selective Two-electron Oxygen Reduction Reaction. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202213296.

https://doi.org/10.1002/anie.202213296.

Adv. Funct. Mater.：Fe-N@Ni-HCFs助力可再充电Zn-空气电池

开发具有优异的双功能氧还原反应（ORR）/析氧反应（OER）活性和快速传质能力的电催化剂，对于高性能可再充电锌-空气电池（ZABs）至关重要。

基于此，澳大利亚格里菲斯大学张山青教授和浙江大学陆俊教授（共同通讯作者）等人报道了一种能促进ORR/OER电催化剂的双功能活性和传质动力学的高效原子调制和结构设计策略。具体而言，原子Fe-N₄基团被固定在预先制成的空心碳纤维上，并封装了Ni纳米颗粒（Fe-N@Ni-HCFs）。

同步X射线吸收光谱（XAS）和球差校正电子显微镜分析证实了催化剂活性位点的原子分布和独特的泡状中空结构，而密度泛函理论（DFT）计算表明包覆的Ni纳米颗粒可以诱导Fe-N₄原子的电子分布，从而降低反应能垒。结果表明，所制备的Fe-N@Ni-HCFs催化剂具有较强的双官能ORR/OER活性和良好的气-固-液界面，有利于提高传质性能。这些协同优势使无粘结剂Fe-N@Ni-HCFs电极具有显著的功率密度和ZABs循环稳定性，优于商用Pt/C+Ir/C基准。这种特殊的性能表明，所提出的策略可以扩展到能量转换和存储的电催化剂的设计和制造。

图文速递

图1. DFT计算

图2. Fe-N@Ni-HCFs的合成示意图和形貌表征

图3. Fe-N@Ni-HCFs的光谱表征

图4. Fe-N@Ni-HCFs的催化性能

图5. 具有Fe-N@Ni-HCFs电极的Zn-空气电池性能

小结

总之，作者提出了一种包覆Ni纳米颗粒的Fe-N₄改性中空碳纤维的原子调制和结构设计策略，以提高可充电ZABs的ORR/OER双官能活性和传质能力。DFT计算表明，Fe-N₄-C壳层和底层金属Ni之间的电子耦合调节了Fe-N₄基团的电子构型，有助于降低ORR和OER的能垒。同时，多孔中空结构具有泡状内腔，传质效果良好，构建了充足稳定的三相界面。通过合理的原子调制和结构设计，所制备的可再充电ZABs具有放电-充电过电位小、比容显著、功率密度高、循环稳定性好等优点。该研究构建的详细设计概念和策略有望促进电化学能量转换和存储器件的健壮和高性能催化剂材料的发展。

Atomic Modulation and Structure Design of Fe-N₄ Modified Hollow Carbon Fibers with Encapsulated Ni Nanoparticles for Rechargeable Zn–Air Batteries. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202209273.

https://doi.org/10.1002/adfm.202209273.

原创文章，作者：华算老司机，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2022/11/15/563533626b/

强！这个团队一周两篇顶刊！

相关推荐