吳仁兵AEM:原子分散的Co-Pyridinic N-C催化劑用於促進氧還原反應

2021-02-28 催化計


過渡金屬-氮-碳（TM-N-C）催化劑具有高密度的活性中心和優化的電子結構，在電化學氧還原反應（ORR）中具有廣闊的應用前景。

近日，復旦大學吳仁兵教授，西北工業大學傅茂森副教授報導了一種新的溶菌酶修飾的沸石咪唑骨架，其中孤立的Co原子錨定在以吡啶氮摻雜為主的碳上（Co-pyridinic N-C）。

要點1. 使用溶菌酶（Lys）輔助的富含官能團的ZIF-8作為分子爪與金屬前驅體Co-離子進行強化學鍵合（Co-ZIF-8@Lys），而不是物理吸附在ZIF-8的空腔中。通過Co2+和Zn2+結點(Co/Zn=1：9)與2-甲基咪唑和0.25 mg mL-1 Lys在水溶液中配位，合成了10%-Co-ZIF-8@Lys前驅體。在氮氣氣氛下，1100 ℃退火處理後，ZIF-8@Lys轉變為吡啶氮摻雜的碳結構。同時，有機配體的碳化還原了ZIF-8分子篩中的Co2+，形成了以吡啶氮摻雜為主的碳上孤立的單個鈷原子。

 

要點2. 原子分散的Co實現了最大程度的活性中心暴露，而吡啶氮的引入可以大大減少Co中心周圍的電子局域化，改善與含氧物種的相互作用，從而降低中間體的能壘，促進有利的四電子ORR途徑。

 

要點3. 由於單原子Co和配位吡啶N的協同作用，Co-Pyridinic N-C催化劑在鹼性和更具挑戰性的酸性介質中都表現出優異的ORR活性和顯著的穩定性，是已報導的活性最高的Co-N-C催化劑之一。

 

研究工作為合理設計TM-N-C催化劑，提高其在ORR中的催化性能開闢了一條新途徑。

 

Yuan Ha, et al, Atomically Dispersed Co-Pyridinic N-C for Superior Oxygen Reduction Reaction, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202002592

https://doi.org/10.1002/aenm.202002592

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