华子乐JMCA：单原子立大功！双位点催化剂实现高效氧还原！

近年来，全球能源需求不断增加，极大地推动了可再生清洁能源的深入研究。燃料电池和锌空气电池具有能量转换效率高、环境友好等优点，是极具发展前景的实现碳中和的装置。贵金属催化剂，如Pt可以有效地加速阴极氧还原反应(ORR)。然而，Pt基材料的高成本和稳定性不足严重限制了其实际应用。因此，非贵金属基催化剂的合成成为燃料电池这一研究领域的重要方向之一。

基于此，中国科学院上硅所华子乐等人采用连续的化学掺杂和络合吸附的方法，成功构建了共价三嗪骨架(CTFs)衍生的Fe/Co二元金属单原子(SACs)催化剂用于ORR。

为了研究催化剂的ORR性能，本文采用旋转圆盘电极(RDE)进行了电化学测试。首先，Fe/CoN-C的循环伏安(CV)曲线显示，在O₂饱和的电解质(0.1 M KOH)中，在0.938 V处有明显的氧还原阴极峰，表明其具有ORR活性。此外，Fe/Co-N-C具有1.04 V的起始电位(E_onset)和0.922 V的半波电位(E_1/2)，这优于Fe-N-C(1.02和0.885 V)，Co-N-C(0.99和0.871 V)，Pt/C(1.02和0.878 V)和大多数非贵金属催化剂。

此外，Fe/Co-N-C在0.85 V电位下的动力学电流密度(J_K)为26.32 mA cm^-2，高于Pt/C的8.55 mA cm^-2，表明其具有优异的本征活性。值得注意的是，催化剂在0.1 M HClO₄中也表现出良好的ORR活性，Fe/Co-N-C的E_onset为0.904 V，E_1/2为0.769 V，比其他两种催化剂更有活性。同时，E_1/2与Pt/C相比只有21 mV的负移，比大多数非贵金属催化剂都好。

为了进一步证明催化剂的协同作用，还将KSCN加入到0.1 M HClO₄溶液中。加入KSCN后，Fe/Co-N-C的扩散电流密度明显降低，E_1/2负移60 mV。但是Fe/Co-N-C的H₂O₂产率低于4.4%，表明ORR对O₂直接还原为H₂O具有良好的选择性。

此外，在1 M KOH溶液中使用线性扫描伏安法(LSV)测试了催化剂的OER催化性能。Fe/Co-N-C在100 mA cm^-2时的过电位为334 mV，小于Pt/C的过电位(367 mV)。合成的Fe/Co-N-C对ORR和OER均表现出优异的性能。

Fe/Co-N-C优异的电催化性能可能是由于掺杂了Co而产生更多的缺陷，有利于后续通过Fe吸附生成更多的Fe-N₄。同时，多孔结构有助于增加比表面积，促进活性位点的暴露。为了验证Fe/Co-N-C的催化机理，本文获得了K-L图。对应的K-L曲线具有很好的线性关系，表明ORR的一级反应动力学。同时，在碱性介质中n为4，表明还原过程为O₂→H₂O。

此外，还进行了旋转环盘电极(RRDE)测试，Fe/Co-N-C的H₂O₂产率低于3.4%，进一步表明其具有良好的四电子ORR过程。有趣的是，由Fe/Co-N-C催化剂组成的ZABs不仅具有较高的开路电压和最大的功率密度，而且在长期的充放电稳定性测试中保持性能稳定。本研究为高效的ORR催化剂的制备提供了一种有前景的方法。

Atomically Dispersed Fe/Co Dual Sites Electrocatalysts Derived from Covalent Triazine 0Frameworks for Boosting the Oxygen Reduction, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d3ta00307h.

https://doi.org/10.1039/D3TA00307H.

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