理化所/奥克兰大学AM: 轴向配体调控助力富介孔Fe-N-C-催化剂高效催化ORR

在碱性介质中，Fe-N-C催化剂具有优异的氧还原反应(ORR)性能。为了提高Fe-N-C催化剂中Fe单原子位点的固有ORR活性，微调Fe位点的局部配位以优化ORR中间体的结合能势在必行。近日，中科院理化技术研究所张铁锐和奥克兰大学Geoffrey I.N. Waterhouse等成功合成了一种多孔FeN₄-O-NCR电催化剂，其中N掺杂碳纳米棒(NCR)上富含FeN₄-O位点(其中Fe单原子与四个平面内氮原子和一个亚表面轴向氧原子配位)。

研究人员首先制备了O，N-共掺杂的碳棒(O-NCR)，然后用微波辅助热解在其表面锚定Fe-N₄位点，形成了稳定的FeN₄-O-NCR异质结构。所制备的FeN₄-O-NCR具有分层多孔结构、高比表面积(1159 m² g^-1)和丰富的FeN₄-O活性位点，以优化氧的吸附和活化。通过理论密度泛函理论(DFT)计算探讨了FeN₄-O-NC的优点，发现对Fe阳离子的d轨道电子结构的精确调控可以降低ORR的热力学势垒。

FeN₄-O-NCR催化剂在碱性介质中表现出显著的ORR活性和稳定性(E_onset=1.050V；E_1/2=0.942V；0.9V时J_k为39.56 mA cm^-2)。使用FeN₄-O-NCR作为阴极催化剂构建的锌-空气电池，该电池具有非常高的功率密度(214.2 mW cm^-2)，大大超过了商用Pt/C催化剂(104.2 mW cm^-2)或其他最近报道的单原子催化剂构建的锌-空气电池。综上，轴向配体调控是微调金属单原子位点以获得最佳电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