第二金属原子辅助制备高浓度原子分散Fe-N掺杂碳纳米线

单原子Fe-N掺杂碳材料由于具有高催化活性、高化学稳定性、以及资源丰富和价格低廉等优点，而被认为是最有前景取代贵金属Pt的氧还原（ORR）催化剂。为了获得高催化活性的Fe-N掺杂碳催化剂，大幅度提高其单原子Fe活性位点的浓度是最有效的策略。然而，在高温下Fe原子特别容易团聚，形成没有催化活性或者催化活性较低的Fe纳米粒子，而不是直接转换为高浓度单原子Fe位点。虽然通过酸洗和二次热处理可以提高Fe-N掺杂碳催化剂的催化活性，但这个过程并不能从根本上提高其活性位点的浓度。

香港科技大学邵敏华教授（点击查看介绍）课题组、中国科学院金属研究所刘畅研究员（点击查看介绍）课题组、美国华盛顿州立大学林跃河（点击查看介绍）课题组合作提出了“第二金属原子”辅助制备高浓度原子分散Fe-N掺杂碳纳米线催化剂。

研究人员发现不同于传统制备的Fe-N掺杂碳材料含有较低的单原子Fe活性位点和较高的Fe纳米颗粒（图1b），将第二金属离子（如Mg、Al和Zn）与Fe离子同时被吸附到富N的聚吡咯纳米线上，在高温热解过程中能有效地抑制Fe原子的团聚，使之直接转变为单原子Fe活性位点（图1a）。

图1. （a）第二金属原子辅助制备高浓度原子分散Fe-N掺杂碳催化剂的示意图。（b）传统方法制备的Fe-N掺杂碳催化剂（单原子Fe活性位点和Fe纳米颗粒共存）的示意图。

球差矫正电镜和X射线吸收精细结构谱（图2）显示，Fe以单原子形式均匀分布于碳纳米线上，且化合价态介于+2和+3（+2/+3共存）。由于Fe原子被吡啶/吡咯N原子所配位，制备的高浓度原子分散Fe-N掺杂碳纳米线催化剂具有高百分含量的吡啶型N（Fe-N，图2c）。

图2. 单原子Fe-N掺杂碳纳米线的形貌、成分及原子结构表征

电化学测试表明，在碱性条件下单原子Fe-N掺杂碳纳米线的ORR半波电位高达0.91 V，已高于传统的Fe-N掺杂碳纳米线（Fe-NCNW-w/o；0.88 V）和商业铂碳催化剂（28 wt.% Pt，TKK；0.875 V）。同时，该催化剂具有良好的电化学稳定性。

图3. 单原子Fe-N掺杂碳纳米线的电化学测试

此外，单原子Fe-N掺杂碳纳米线在酸性条件下也表现出优异的ORR性能，其半波电位高达0.82 V，高于传统的Fe-N掺杂碳纳米线（0.78 V），但仍低于铂碳催化剂（0.88 V）。

总之，该工作利用第二金属原子（如：Mg、Al和Zn）辅助制备高浓度原子分散Fe-N掺杂碳纳米线催化剂，开发了一种高效、简单且具有普适性的高浓度单原子催化剂的方法，为单原子催化剂在催化领域以及其它相关领域的应用和探索提供了有效的合成途径。

这一成果近期发表在ACS Catalysis 上，文章的第一作者是香港科技大学的博士后李金成。

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）：

Secondary-Atom-Assisted Synthesis of Single Iron Atoms Anchored on N-Doped Carbon Nanowires for Oxygen Reduction Reaction

Jin-Cheng Li, Fei Xiao, Hong Zhong, Tao Li, Mingjie Xu, Lu Ma, Min Cheng, Dong Liu, Shuo Feng, Qiurong Shi, Hui-Ming Cheng, Chang Liu, Dan Du, Scott P. Beckman, Xiaoqing Pan, Yuehe Lin, Minhua Shao

ACS Catal., 2019, 9, 5929-5934, DOI: 10.1021/acscatal.9b00869

导师介绍

邵敏华

https://www.x-mol.com/university/faculty/49635

刘畅

https://www.x-mol.com/university/faculty/16053

林跃河

https://www.x-mol.com/university/faculty/68957