​西安交大Small:异质原子配位调治Fe单原子催化剂的氧复原功能用于锌-氛围电池

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随着动力危急的加剧和情况的好转,干净和可再生动力惹起了人们的普遍存眷。燃料电池和金属-氛围电池由于具有高能量密度和生态友爱的特点备受存眷。但是,燃料电池和金属-氛围电池中氛围电极氧复原反响(ORR)的迟缓动力学严峻影响了它们的功能和利用寿命。


单原子催化剂(SACs)可以提供100%的金属原子使用率,而且与传统的负载纳米粒子相比表现出优秀的催化功能。在过渡金属中,Fe在地球中含量丰厚,而且Fe-N-C布局具有得当的含氧两头体吸附能,在催化历程中体现出最优秀的ORR功能。
近几十年来,人们努力于进步单原子Fe-N-C催化剂的电催化功能,进一步进步单原子Fe-N-C催化剂的功能面对着本征活性极限和活性位点密度的宏大应战。
基于此,西安交通大学谭强等人使用配位情况和对孔布局的精密调控使得Fe-N-C催化剂体现出优秀的ORR活性和波动性。
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经过旋转圆盘电极测定了Fe-N/S-C和比拟催化剂在O2饱和0.1 M KOH溶液中的电催化功能。Fe-N/S-C-1000的半波电位(0.904 V vs RHE)比贸易Pt/C (0.867 V vs RHE)和其他催化剂改正。
与Fe-N/C-1000相比(0.821 V vs RHE),Fe-N/S-C-1000的半电位要改正(73 mV),标明在Fe-N/C-1000引入S原子可以明显进步ORR催化功能。催化剂的ORR反响动力学经过Tafel斜率确定,Fe-N/S-C-1000的Tafel斜率最低(62.61 mV dec-1),标明Fe-N/S-C-1000的ORR历程在较低的过电位下就可以举行。
别的,Fe-N/S-C-1000的H2O2产率小于5%,远低于其他催化剂和Pt/C催化剂。盘算失掉的Fe-N/S-C-1000的电子转移数最靠近4.0,这标明 Fe-N/S-C-1000的ORR是一个四电子反响。
计时电位法是评价催化剂波动性的紧张手腕,颠末100小时的测试后,Fe-N/S-C-1000的电流密度可以坚持初始电流密度的93.17%,分明优于Pt/C (46.58%)。
令人鼓动的是,颠末100小时的波动性测试后,Fe-N/S-C-1000的半波电位仅仅降落了6 mV,表现了Fe-N/S-C-1000优秀的波动性。基于Fe-N/S-C制备了锌-氛围电池,该电池具有优秀的功率密度(315.4 mW cm-2)和临时波动性。
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为了充实理解Fe-N/S-C催化剂优秀的催化活性,进一步利用密度泛函实际(DFT)盘算来分析ORR历程。Fe-N3/S-C中的Fe原子比Fe-N4-C具有更富电子的情况,使得Fe-N3/S-C比Fe-N4-C更容易吸附氧两头体以促进ORR历程。
别的,Fe-N3/S-C具有靠近费米能级的态密度,S代替N招致更多的价轨道占有,这意味着Fe-N3/S-C中的Fe具有比Fe-N4-C低的价态。
比力了差别电位下ORR历程中含氧两头体在Fe-N3/S-C和Fe-N4-C上的自在能,Fe-N3/S-C的ORR历程所需的能量比Fe-N4-C少,这是由于Fe-N3/S-C的Fe原子最外层电子增长,招致其所需的能量低于Fe-N4-C。
盘算后果还标明,在Fe-N3/S-C中引入S原子可以明显影响Fe原子活性中心的电子布局,从而进步ORR的催化活性。
总之,Fe-N/S-C催化剂的分层介微孔布局有利于Fe原子的锚定和活性位点的表露而且S原子的引入可以明显影响Fe-Nx的电子布局,从而进步催化剂的本征电催化活性。
这项事情将为设计原子疏散的Fe金属位点催化剂用于种种能量转换和储能设置装备摆设开发一个新的视角。
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Heteroatom Coordination Regulates Iron Single-Atom-Catalyst with Superior Oxygen Reduction Reaction Performance for Aqueous Zn-Air Battery, Small2022, DOI: 10.1002/smll.202206478.
https://doi.org/10.1002/smll.202206478.




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