近日，9999js金沙老品牌郭俊杰教授团队在单原子电催化氧还原反应（ORR）领域取得研究进展，在国际顶级学术期刊 《Advanced Science》发表题为“Electronic Asymmetry engineering of Fe-N-C electrocatalyst via adjacent carbon vacancy for boosting oxygen reduction reaction”的研究论文。

过渡金属-氮-碳（M-N-C）单原子催化剂优异的ORR性能有望替代贵金属催化剂引起广泛关注。然而，活性位点M-N₄的对称电荷分布导致催化剂的反应动力学缓慢。该工作采用缺陷工程策略在Fe-N₄附近引入碳空位（Fe-N₄V_C），破坏Fe-N₄局域电子结构对称性，大幅提升了Fe-N₄的本征活性，降低了反应能垒。利用球差校正电子显微镜探测到Fe-N₄V_C结构中Fe-N键变化造成的EELS中N峰偏移现象,证实了碳空位对Fe-N₄局域电子结构的调控作用。

图1. Fe-N-C催化剂的合成步骤及结构分析：a) Fe-N-C催化剂合成示意图；b, c) TEM图像，d) HAADF-STEM图像揭示金属单原子分布状态；e, f) Fe-N₄V_C结构中Fe-N键变化造成的EELS中N峰偏移现象。

 

Fe-N-C催化剂的ORR测试结果表明，Fe-N₄V_C催化剂在酸性和碱性条件下的ORR催化活性明显优于其它Fe-N-C催化剂和商用Pt/C催化剂，其半波电位分别达到0.934 V和0.901 V。

 

图2. Fe-N-C在酸性碱性溶液中ORR催化活性研究。

 

对以Fe-N₄V_C催化剂作为空气阴极组装的锌空电池进行了测试，Fe-N-C基液态锌空电池的开路电压为1.483 V，峰值功率密度为218 mW cm^-2，并且在10 mA cm^-2的电流密度下保持稳定运行200 h，没有明显的衰减现象。比贵金属基Pt/C+RuO₂催化剂高1.5倍。组装的全固态锌空电池可以为LED面板供电，揭示了Fe-N-C-2催化剂在柔性设备中的应用潜力。

图3. 基于Fe-N-C催化剂和Pt/C+RuO₂的锌空电池性能研究。

 

该工作实现了高活性高稳定性Fe-N-C单原子催化剂的设计，解决了非贵金属催化剂ORR催化活性低、活性位点利用率不足的问题，为开发高效的M-N-C催化剂提供了新的策略。论文第一作者是硕士研究生涂焕碌，通讯作者是9999js金沙老品牌9999js金沙老品牌郭俊杰教授和章海霞副教授，昆士兰科技大学的孙子其教授。本工作得到山西省引进海外高层次人才创新团队项目、国家自然科学基金、山西省自然科学基金等项目的支持。

 

全文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202305194