/C用作酸性介質中高效穩定的氧還原催化劑研究獲進展

2020-12-24 中國科學院

單位點Cr-N4/C用作酸性介質中高效穩定的氧還原催化劑研究獲進展

2019-10-23 長春應用化學研究所

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　　非貴金屬氧還原催化劑是解決燃料電池成本和貴金屬資源短缺問題的必由之路，目前非貴金屬氧還原催化劑的研究熱點聚焦於單原子Fe-Nx/C材料。然而，在酸性介質中，Fe與中間產物H2O2通過Fenton反應產生強氧化性自由基（ROS），氧化活性位點周圍的碳，削弱活性位點催化O2還原能力，致使Fe基催化劑穩定性差，有必要探究其他低Fenton反應性的金屬中心。

　　近日，中國科學院長春應用化學研究所研究員邢巍、劉長鵬、葛君傑與中國科學院上海應用物理研究所研究員姜政合作，針對酸性介質中的氧還原電催化反應進行理性設計和精控制備，合成了性能優越的熱解型單原子Cr/N/C氧還原催化劑。

　　該催化劑設計理念如下：熱解型催化劑與大環化合物型催化劑的主要區別在於前者中C材料具有更強的吸電子特性，從而能降低催化劑d鍵中心，弱化對中間物種的吸附能。因此，在大環化合物中，處於火山型曲線強吸附側，因吸附過強而使得活性較差的金屬中心有可能在熱解型催化劑中表現出優異性能。利用上述思路，結合對弱化Fenton活性的需求，有望篩選出活性與穩定性兼具的新型催化中心。基於上述思路，研究人員選擇了在大環化合物中位於火山型曲線強吸附側的Cr單位點型催化劑進行研究。儘管早期工作發現鉻酞菁的Cr-N4中心由於與O2結合過強而導致幾乎沒有催化活性，但該工作中Cr/N/C催化劑的Cr-N4位點並沒有類似已報導的Fe/N/C和Ru/N/C的軸向O物種，而對應於D4h對稱平面結構，說明熱解型催化劑中金屬中心電子結構的顯著改變。電化學結果表明，少量Cr源的引入即可引起產物氧還原催化性能極大提升。最重要的是，Cr/N/C具有極好的穩定性，顯著優於Fe/N/C和Pt/C。通過對自由基檢測發現Cr/N/C催化劑優異的穩定性在於Cr的Fenton反應活性很弱，避免了ROS的氧化危害。該工作首次報導了熱解型Cr/N/C顯著的氧還原催化性能，確認了一種穩定的新型活性位點，並為徹底探究熱解型M/N/C中M-Nx的催化機理引入了新模型。相關結果以HotPaper形式發表於《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition，2019,58,36,12469-12475）。

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單位點Cr-N4/C用作酸性介質中高效穩定的氧還原催化劑研究獲進展


　　非貴金屬氧還原催化劑是解決燃料電池成本和貴金屬資源短缺問題的必由之路，目前非貴金屬氧還原催化劑的研究熱點聚焦於單原子Fe-Nx/C材料。然而，在酸性介質中，Fe與中間產物H2O2通過Fenton反應產生強氧化性自由基（ROS），氧化活性位點周圍的碳，削弱活性位點催化O2還原能力，致使Fe基催化劑穩定性差，有必要探究其他低Fenton反應性的金屬中心。
　　近日，中國科學院長春應用化學研究所研究員邢巍、劉長鵬、葛君傑與中國科學院上海應用物理研究所研究員姜政合作，針對酸性介質中的氧還原電催化反應進行理性設計和精控制備，合成了性能優越的熱解型單原子Cr/N/C氧還原催化劑。
　　該催化劑設計理念如下：熱解型催化劑與大環化合物型催化劑的主要區別在於前者中C材料具有更強的吸電子特性，從而能降低催化劑d鍵中心，弱化對中間物種的吸附能。因此，在大環化合物中，處於火山型曲線強吸附側，因吸附過強而使得活性較差的金屬中心有可能在熱解型催化劑中表現出優異性能。利用上述思路，結合對弱化Fenton活性的需求，有望篩選出活性與穩定性兼具的新型催化中心。基於上述思路，研究人員選擇了在大環化合物中位於火山型曲線強吸附側的Cr單位點型催化劑進行研究。儘管早期工作發現鉻酞菁的Cr-N4中心由於與O2結合過強而導致幾乎沒有催化活性，但該工作中Cr/N/C催化劑的Cr-N4位點並沒有類似已報導的Fe/N/C和Ru/N/C的軸向O物種，而對應於D4h對稱平面結構，說明熱解型催化劑中金屬中心電子結構的顯著改變。電化學結果表明，少量Cr源的引入即可引起產物氧還原催化性能極大提升。最重要的是，Cr/N/C具有極好的穩定性，顯著優於Fe/N/C和Pt/C。通過對自由基檢測發現Cr/N/C催化劑優異的穩定性在於Cr的Fenton反應活性很弱，避免了ROS的氧化危害。該工作首次報導了熱解型Cr/N/C顯著的氧還原催化性能，確認了一種穩定的新型活性位點，並為徹底探究熱解型M/N/C中M-Nx的催化機理引入了新模型。相關結果以HotPaper形式發表於《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition，2019,58,36,12469-12475）。
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　　單位點Cr-N4/C用作酸性介質中高效穩定的氧還原催化劑研究獲進展
　　

列印 責任編輯：葉瑞優

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