第一作者：周荃、楊岳
通訊作者：薛同、劉一蒲、李華
通訊單位：北方民族大學(xué)，海南大學(xué)，蘭州大學(xué)
【研究亮點(diǎn)】
1. 合成了富石墨氮碳 (graphitic NC) 骨架為載體的Fe3C氧還原催化劑，F(xiàn)e3C納米顆粒（6-10 納米）被碳層包覆。
2. Fe3C@NC復(fù)合材料中，氮具有多種存在形式，DFT計(jì)算表明，石墨氮具有最高的活性。
3. 通過(guò)在碳骨架中增加石墨氮的含量，提高了Fe3C@NC 的ORR反應(yīng)活性。
【研究背景】
將金屬基催化活性材料與氮摻雜碳結(jié)構(gòu)相結(jié)合是設(shè)計(jì)高性能電催化劑的有效策略。碳骨架中的氮對(duì)于調(diào)節(jié)復(fù)合材料的電子結(jié)構(gòu)方面具有重要作用。氮在碳結(jié)構(gòu)中存在不同的形式，然而，氮的不同存在形式對(duì)整體催化活性的貢獻(xiàn)程度依舊是不明確的。
鑒于此，最近北方民族大學(xué)薛同，海南大學(xué)劉一蒲和蘭州大學(xué)李華合作研發(fā)了一種以石墨氮為主要存在形式的Fe3C@NC復(fù)合材料，這一材料表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR活性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算均證實(shí)了NC對(duì)Fe3C性能的促進(jìn)作用。此外，石墨氮在不同的氮存在形式中表現(xiàn)出最高的催化活性，有效地減少了ORR反應(yīng)中從O2到*OOH的能壘。將該Fe3C@NC復(fù)合材料應(yīng)用于鋅空氣電池的空氣陰極，其開(kāi)路電壓可達(dá)1.48 V，功率密度為155.6 mW cm-2，且比容量為798 mAh gZn-1。該研究表明，F(xiàn)e3C和氮摻雜碳在促進(jìn)ORR催化劑的性能方面具有協(xié)同作用，且石墨氮有助于提高Fe3C@NC的ORR活性。
【圖文簡(jiǎn)介】
圖1. Fe3C@NC的形貌表征及其元素分布。
要點(diǎn)1. ZIF-8衍生的氮摻雜碳具有石墨層結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e3C納米顆粒被包裹在石墨層中。Fe3C納米顆粒的催化行為有助于碳化物周圍石墨層的生長(zhǎng)。HAADF Fe證實(shí)了Fe元素主要存在于Fe3C@NC的Fe3C納米顆粒中。
圖2.晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)態(tài)分析。
圖3. 表面結(jié)構(gòu)的ORR的DFT理論計(jì)算。
要點(diǎn)2. 通過(guò)XPS定量分析中，石墨氮在NC中占主導(dǎo)地位。DFT理論計(jì)算表明，石墨氮與吡啶氮和吡咯氮相比，表現(xiàn)出最高的ORR性能。
圖4.Fe3C@NC在堿性體系中的ORR性能。
圖5. 使用Fe3C@NC作為鋅空氣電池陰極的性能表征。
要點(diǎn)3. 電化學(xué)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)e3C@NC電極表現(xiàn)出優(yōu)秀的ORR活性。組裝鋅空電池性能和其它鐵基催化劑的鋅空電池表現(xiàn)出更低的過(guò)電位，更高的輸出電壓和功率密度（見(jiàn)圖五中的雷達(dá)圖）。
【小結(jié)】
Fe3C@NC的ORR活性是由以下三個(gè)因素造成的。
1、Fe3C本征活性。
2、Fe3C和NC之間的協(xié)同效應(yīng): 被包裹的Fe3C納米顆粒通過(guò)相互的電子作用激活周圍的石墨層，使石墨層的外表面對(duì)ORR具有活性。
3、石墨氮在NC中的主導(dǎo)地位為Fe3C@NC復(fù)合材料貢獻(xiàn)了最高的ORR活性。
【原文鏈接】
Graphitic-Nitrogen-Enriched Carbon Skeleton with Embedment of Fe3C for Superior Performance Air Cathode in Zinc-air Battery, https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101194
【作者簡(jiǎn)介】
薛同，副教授，北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士生導(dǎo)師。民建寧夏第八屆委員會(huì)委員，民建北方民族大學(xué)支部主委。本碩均畢業(yè)于蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，導(dǎo)師：力虎林教授。2013年9月畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，獲得哲學(xué)博士學(xué)位。導(dǎo)師：Lee Jong Min副教授。2002-2013年任職于寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，2014年全職進(jìn)入北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院從事教學(xué)科研工作。主要從事水系金屬離子電池，水系混合電容器以及金屬-空氣電池等電化學(xué)儲(chǔ)能材料及器件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。近年來(lái)，主持及參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)及省部級(jí)科研項(xiàng)目，并獲得中科院“西部之光”人才培養(yǎng)項(xiàng)目資助。目前在Chem. Eng. J, J. Energy Chem., Mater Today Energy, J. Power Sources, Ind. Eng. Chem. Res., Chem. Eng. Sci. 等雜志上發(fā)表研究論文20余篇，授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)。
劉一蒲，海南大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。博士畢業(yè)于吉林大學(xué)，2019年入選國(guó)家“博士后國(guó)際交流計(jì)劃派出項(xiàng)目”，合作導(dǎo)師為吉林大學(xué)鄒曉新教授和新加坡南洋理工大學(xué)范紅金教授。2021年入職海南大學(xué)。以一作/并列一作/通訊聯(lián)系人身份在Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等期刊發(fā)表論文10余篇，參與發(fā)表論文30余篇，總引用超過(guò)5000次。
李華，高級(jí)工程師，蘭州大學(xué)材料與能源學(xué)院, 碩士生導(dǎo)師。2006年畢業(yè)于蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院分析化學(xué)專業(yè)，師從力虎林教授。主要研究方向?yàn)椋杭{米功能材料的可控合成、原子尺度超微結(jié)構(gòu)電子顯微學(xué)表征及其在電化學(xué)催化領(lǐng)域和光催化領(lǐng)域的應(yīng)用研究。迄今在ACS Catalysis, Biosensors&Bioelectronics, J. Energy Chem., Separation and Purification Technology, Nanoscale, Sensors and Actuators B: Chemical, Chemical Communications等國(guó)際期刊上發(fā)表科研論文30余篇。獲批國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)。主持及主要參與科研項(xiàng)目包括：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)際地區(qū)合作項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、省部級(jí)科研項(xiàng)目、企業(yè)橫向項(xiàng)目等。
