鐵鈷雙原子材料用於FC取得新進展

據能源材料化學協同創新中心網站消息：近日，iChEM研究人員、中國科學技術大學吳宇恩教授課題組與西安交通大學常春然副教授（通訊作者）等合作成功利用雙溶劑法首次合成了一種雙原子Fe,Co固載在多孔的氮摻雜碳上的電催化劑，並將雙原子材料用於氫空燃料電池和氫氧燃料電池方麵。相關成果以“Design of N-Coordinated Dual-Metal Sites: A Stable and Active Pt-Free Catalyst for Acidic Oxygen Reduction Reaction”為題發表在《美國化學會誌》（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b10385）。該論文的第一作者為中國科學技術大學博士研究生王晶。

隨sui著zhe人ren類lei社she會hui的de發fa展zhan，全quan球qiu能neng源yuan的de消xiao耗hao和he氣qi候hou變bian化hua等deng問wen題ti都dou引yin起qi了le人ren們men的de廣guang泛fan關guan注zhu，因yin此ci尋xun找zhao可ke替ti代dai的de清qing潔jie能neng源yuan已yi經jing迫po在zai眉mei睫jie。其qi中zhong，燃ran料liao電dian池chi是shi一yi種zhong通tong過guo氫qing氣qi和he空kong氣qi的de電dian極ji反fan應ying生sheng成cheng水shui直zhi接jie將jiang化hua學xue能neng轉zhuan換huan成cheng電dian能neng的de裝zhuang置zhi
，不bu需xu要yao充chong電dian
，不bu會hui產chan生sheng廢fei氣qi
，因yin能neng量liang轉zhuan換huan效xiao率lv高gao（達60 %-80 %）和環境友好等優越性受到人們的關注，被認為是21世shi紀ji首shou選xuan的de清qing潔jie能neng源yuan發fa電dian技ji術shu。雙shuang原yuan子zi催cui化hua劑ji由you於yu其qi獨du特te的de電dian子zi和he幾ji何he結jie構gou，使shi得de其qi在zai一yi些xie重zhong要yao的de化hua學xue反fan應ying中zhong通tong常chang會hui表biao現xian出chu意yi想xiang不bu到dao的de催cui化hua活huo性xing。Fe,Co雙原子催化劑作為燃料電池的陰極催化劑
，不僅降低的燃料電池催化層的成本，且在載量小於1 mg cm-2的條件下最高輸出功率密度為0.51 W cm-2為商業鉑碳的76 %。

吳宇恩教授課題組
，以鋅鈷雙金屬MOF作為前驅體，通過雙溶劑法吸附鐵鹽，在高溫環境下
，Fe 3+被周圍石墨化的C逐漸還原並與鄰近的Co成鍵，從而形成Fe,Co雙金屬活性位點。同時
，Fe催化載體生成氮摻雜的石墨化碳，並分解釋放C和N的碎片
，加速金屬-咪唑-金屬鍵的斷裂，從而迫使MOF內產生空隙。最終在Kirkedall的作用下形成了空洞結構。通過球差電鏡，同步輻射，穆斯堡爾譜等多種手段表征了該雙原子材料是Fe,Co成鍵並與周圍N配位的結構。通過理論計算表明Fe-Co鍵的存在更有利於O-O鍵的斷裂，該結構使得催化劑在氧還原反應中有很高的活性。在酸性氧還原反應中表現出半波電位為0.863 V, 起始電位為1.06 V, 且0.9 V 下的電流密度為2.842 mA cm-2, 並穩定循環5萬圈的優異性能。在氫氧燃料電池中最高輸出功率高達0.98 W cm-2。在氫空燃料電池中最高輸出功率0.51 W cm-2並穩定運行100小時以上。是目前已報道非Pt催化劑中
，該雙原子材料的氫空燃料電池的性能最高
，並將已有的最高活性提高20 %。

這(zhe)一(yi)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)成(cheng)功(gong)應(ying)用(yong)雙(shuang)原(yuan)子(zi)催(cui)化(hua)劑(ji)作(zuo)為(wei)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)陰(yin)極(ji)催(cui)化(hua)劑(ji)
，大(da)幅(fu)度(du)降(jiang)低(di)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)中(zhong)的(de)催(cui)化(hua)層(ceng)成(cheng)本(ben)


，是(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)領(ling)域(yu)的(de)重(zhong)大(da)突(tu)破(po)
，為(wei)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)商(shang)業(ye)化(hua)發(fa)展(zhan)提(ti)供(gong)了(le)可(ke)能(neng)，有(you)望(wang)對(dui)未(wei)來(lai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)的(de)發(fa)展(zhan)帶(dai)來(lai)全(quan)新(xin)的(de)啟(qi)示(shi)。

上述研究工作得到國家自然科學基金、國家科技部等項目的資助和支持。論文鏈接： http://dx.doi.org/10.1021/jacs.7b10385。