...天涯孤客、同道相惜” + 双金属单原子催化剂

发布网友发布时间：2024-10-18 01:29

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热心网友时间：2024-11-06 00:36

单原子催化剂因其高金属原子利用率、高选择性和高本征活性，在电催化、光催化及能源存储等领域的研究中成为热点。自从张涛院士和李隽等在2011年共同提出“单原子催化”的概念，单原子催化剂的种类和成分越来越多样化，催化机理的探讨也越来越深入。然而，单原子催化剂结构单一，缺乏原子间的合作。通过调控中心金属原子种类、原子配位结构和载体结构，很难实现对不同催化反应的高活性。因此，双金属单原子或者金属单原子与纳米团簇共存的异质结构引入原子间的“并肩作战”与合作，能提高催化剂的活性和稳定性，并有望实现催化多功能。

双金属单原子与纳米团簇共存的异质结构催化剂，实现ORR-OER双功能，深入研究了单原子与纳米团簇的协同催化机制，同时探究了其在锌空气电池方面的应用。该文章发表在国际顶级期刊ACS Nano上，王哲博士为本文第一作者。

另外，具有两种独立金属单原子催化活性位点（Fe-N4, Ni-N4）的中空宿主材料，用于改善锂硫电池正极的反应动力学并提升循环寿命。该文章发表在国际顶级期刊Nano Letter上，南洋理工大学博士生杨金霖为本文第一作者。

研究发现，双金属单原子与纳米团簇共存的异质结构催化剂中Fe元素主要是以FeN4单原子和Fe4纳米团簇共存的形式存在，Ni元素主要是NiN4单原子和Ni4纳米团簇共存的形式存在。同时，双金属单原子催化剂是FeN4单原子与NiN4单原子共存的结构。在0.1 M KOH溶液中，双金属单原子/纳米团簇共存催化剂Ni,Fe-DSAs/NCs在ORR和OER上的催化活性和稳定性均高于双金属单原子催化剂及商用Pt/C。

研究该催化剂中单原子（FeN4/NiN4）与纳米团簇(Fe4/Ni4)两种结构位点如何实现对催化性能的协同提升，以及它们之间是如何产生相互作用的关键在于理论计算。纳米团簇的引入可以增加单原子核心金属原子近费米能级的总态密度，利于电子的转移；Fe4纳米簇可以诱导FeN4位点的电子结构重置，减小Fe中心原子与O的建能，进而降低决速步对OH*中间体的吸附，提高其对ORR的本征催化活性；同时，Ni4纳米簇可以增加Ni中心原子与含氧中间体的相互作用，优化NiN4位点对OH*的吸附，进而提高其OER活性。基于Fe4@FeN4位点与Ni4@NiN4位点是否也存在协同作用，有待结合实验结果及理论计算进一步深入研究。

在锂硫电池领域，本工作采用ZIF-8作为自牺牲模板，结合后续的盐浸渍处理和烧结碳化过程成功制备了具有Fe-N4和Ni-N4两种独立单原子活性位点的中空纳米笼（Ni-Fe-NC）。该工作旨在提出一种双向催化剂的设计策略，最大限度利用催化剂的活性面积并提高原子利用率，为新一代高能量密度长寿命锂硫电池提供新的设计思路。