Angew. Chem.：分级有序多孔结构高效利用FeN4催化活性位并增强传质过程

从降低生产成本和稀贵金属资源储量角度考虑，开发非贵金属基氧还原反应（ORR）催化剂是实现质子交换膜燃料电池（PEMFC）大规模产业化应用的前提条件之一。在酸/碱条件下Fe-N-C结构都具有最高ORR催化活性，在酸性条件下FeN₄配位结构比FeN₂活性更高，稳定性更好，更适用于PEMFC体系中。如何更加合理地在碳载体表面负载FeN₄活性位点同时提升氧气在载体表面的传质速率是该领域的研究重点领域。金属有机框架（MOFs）化合物具有高孔隙率和比表面积大的优点，在催化、储能、分离分析等领域具有很大的应用前景。在ZIF-8合成过程中掺杂少量的铁元素（Fe）能够形成分散性良好的FeN₄配位结构，因此成为 FeN₄活性位的理想载体。ZIF-8基材料仅存在微孔结构，氧气无法在高电解质浓度的燃料电池催化电极内部快速传输质，通常只有催化剂表面的活性位能够参与催化反应过程，其内部深埋的活性中心难以参与ORR催化反应。如果能在ZIF-8中构建分级有序多孔结构，将能很大程度上提高催化活性位利用效率、同时增强反应底物和催化产物在电极界面上的传质速率，进一步提升电池的性能。

云南大学胡广志研究员团队与湖南大学王双印教授团队合作，通过有序硬模板造孔和双溶剂诱导成核的合成策略，制备Fe掺杂分级多孔结构ZIF-8中，简单碳化即可制备具有原子分散度的FeN₄负载分级有序多孔碳（FeN₄/HOPC）。通过择优取向生长制备的多孔Fe-ZIF-8具有与模板相一致的{111}面和{100}面（图1）。经过高温炭化处理后，原本光滑的蜂窝状晶体变成了三维互联的碳骨架。球差电镜表征证实Fe原子以单原子分散形式存在于碳基质中，同步辐射进一步证明了铁的单原子分散性和Fe-N的4配位形式（图2）。在1 bar H₂-O₂供应条件下，与采用常规手段制备的相同铁掺杂量的FeN₄掺杂碳纳米材料（FeN₄/C）相比，由FeN₄/HOPC组装的燃料电池在输出电池为0.6 V下的电流密度为0.75 A cm^-2，几乎两倍于FeN₄/C组装的燃料电池。

图1. FeN₄负载分级多孔ZIF-8的合成示意图和材料扫描电镜图

图2. FeN₄负载分级多孔ZIF-8碳的透射电镜、STEM原子像和同步辐射分析

相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hierarchically Ordered Porous Carbon with Atomically Dispersed FeN₄ for Ultra-efficient Oxygen Reduction Reaction in PEMFC

Shuangyin Wang, Mengfei Qiao, Ying Wang, Quan Wang, Guanzhi Hu, Xamxikamar Mamat, Shusheng Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201914123

导师介绍

王双印

https://www.x-mol.com/university/faculty/10085

（本稿件来自Wiley）