非貴金屬氧還原催化劑研究取得新進展

據中國科學院網站報道：作為可持續能源利用技術，燃料電池與金屬-空氣電池中陰極上氧氣還原反應（ORR）的催化劑決定了能量轉化效率以及電池成本。作為有望取代傳統貴金屬鉑催化劑的Fe-N-C材料，因具有多相複雜的結構，對其活性位的定性以及定量一直是這類非貴金屬催化劑研究的難題。

C-S-C結構促進Fe-N-C活性位催化ORR反應效率

中國科學院新疆理化技術研究所胡廣誌研究團隊與瑞典於默奧大學Thomas Wagberg研究團隊以及北京大學郭少軍研究團隊開展合作，利用硬模板夾芯合成法成功製備了表麵功能化負載Fe-N-C催化活性中心的新型ORR催化劑材料，並通過Fe前驅體含量調控優化材料表麵活性位的含量，實現在堿性條件下優於商業鉑碳的ORR催化性能。球差電鏡麵掃描結果顯示，元素Fe
、N
、C均勻分布在材料表麵
，通過對57Fe的Mößbauer譜解析證明Fe隻與N配位形成Fe-N結構；通過X-射線精細吸收譜（EXAFS）進一步證明Fe周圍N的配位數是2，因此合成的材料活性中心主要以FeN2存在；采用X光電子能譜有效定量了合成材料表麵FeN2含量。密度泛函計算表明，在堿性條件下
，由於對中間產物O*和OH*吸附作用較弱
，以及較強的電子傳輸能力，FeN2結構催化ORR活性高於常規FeN4結構。

該研究工作中單一的FeN2活性結構為建立材料催化ORR反應的半波電位(E1/2)與活性位數量間的數學關係提供了理想模型。結合Butler-Volmer方程，為預測此類材料的催化性能提供了理論支持與實驗證明。相關成果發表在《納米能源》（Nano Energy）上。

科研人員進一步通過引入雜原子硫，在Fe-N-C附近形成的C-S-C結構，由於S的電負性，降低了附近活性中心Fe的電子雲密度
，從而促進材料對O2的吸附活化
，進一步提高了材料在酸性條件下催化ORR活性。研究結果近日發表在了國際學術期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上。

論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517301660。