Fe/Cu共协同ZIF衍生碳骨架基高效ORR催化剂

目前，质子交换膜燃料电池中最常用的是Pt基催化剂。然而，Pt存在价格昂贵、资源有限、稳定性差等问题，极大制约了其大规模的商业化应用。因此，开发成本较低、高活性、高稳定性的燃料电池催化剂成为研究的重点。过渡金属/氮碳材料（TM-N-C）具有较高的催化活性和较低的成本，近年来得到广泛的研究。

近年来，基于ZIFs制备氧还原催化剂得到研究人员的广泛关注。已有研究表明，在ZIF-8结构中，相比于Fe³⁺，Fe²⁺更容易实现Fe的均匀分布，暴露更多的活性位点，进而提高ORR性能。最近，武汉理工大学的木士春教授、何大平教授课题组通过简单的化学反应(2Fe³⁺ + Cu = Cu²⁺ + 2Fe²⁺)，在ZIF制备的前驱体中引入Fe²⁺和Cu²⁺，由于Cu箔片的加入，合成过程中抑制了Fe²⁺的氧化，成功制备了Fe/Cu共协同的ZIF衍生碳骨架（Cu@Fe-N-C）。研究表明，该材料具有规则的截角十二面体形貌，Fe均匀分布于碳骨架，Cu则主要以碳包覆的铜颗粒形式存在。

图1. (a) Cu@Fe-N-C的合成示意图；(b) FeCu-ZIF；(c) Cu@Fe-N-C的SEM成像

在性能方面，Cu@Fe-N-C在碱性条件下表现出优异的ORR催化活性，半波电势高达0.892 V，并具有极好的稳定性和抗甲醇中毒能力；在酸性条件下，其性能也可与Pt/C相比拟。进一步用于锌空电池阴极时，与商用Pt/C相比，Cu@Fe-N-C表现出更高的能量密度（92 mW•cm^-2）和优异的放电稳定性。

图2. Zn-air电池性能，其中Cu@Fe-N-C和Pt/C催化剂作为空气阴极，6 M KOH + 0.2 M Zn(Ac)₂作为电解质考察；（a）开路电压；（b）极化曲线和相应的能量密度曲线；（c）2 mA•cm^-2和（d）20 mA•cm^-2下的长时间放电稳定性；（e）全固态Zn-air的示意图；（f）全固态电池开路电压及四个串联电池点亮小灯泡的照片

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是武汉理工大学的硕士研究生王治豪，通讯作者为武汉理工大学的木士春教授、何大平教授与华中科技大学的熊玉立博士。

该论文作者为：Zhihao Wang, Huihui Jin, Tian Meng, Ke Liao, WenqianMeng, Jinlong Yang, Daping He, Yuli Xiong, Shichun Mu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Fe, Cu-Coordinated ZIF-Derived Carbon Framework for Efficient Oxygen Reduction Reaction and Zinc-Air Batteries

Adv. Funct. Mater., 2018, DOI:10.1002/adfm.201802596

导师介绍

木士春

http://www.x-mol.com/university/faculty/47822