電化學(xué)氧還原反應(yīng)(ORRs)在燃料電池和金屬-空氣電池等可持續(xù)能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備中發(fā)揮著重要作用，但陰極ORR的緩慢動(dòng)力學(xué)阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展和商業(yè)應(yīng)用。過(guò)渡金屬-氮-碳(TM-N-C)催化劑已被深入研究，以解決緩慢的氧還原反應(yīng)(ORR)，但活性中心的可及性不足限制了它們的性能。
基于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)徐成彥課題組以ZIF-L納米棒為自犧牲模板，采用ZIF相變法制備了具有開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的ZIF-8空心納米棒，并通過(guò)合理的碳化和鐵原子錨定，將其轉(zhuǎn)化為原子分散的Fe-N-C空心納米棒(Fe1-N-C HNR)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氮摻雜的碳納米管可以作為強(qiáng)有力的載體來(lái)負(fù)載分離的鐵原子，從而產(chǎn)生原子分散的Fe1-N-C納米管。在堿性條件下，F(xiàn)e1-N-C HNR的起始電位為1.13 VRHE，半波電位(E1/2)和極限電流密度分別為0.91 VRHE和6.0 mA cm-2；在酸性介質(zhì)中，F(xiàn)e1-N-C HNR的半波電位(E1/2)和極限電流密度分別為0.8 VRHE和6.7 mA cm-2，超過(guò)商業(yè)Pt/C和大多數(shù)基于TM-N-C的ORR電催化劑。Fe1-N-C HNR在堿性和酸性介質(zhì)中的ORR活性和穩(wěn)定性可以合理地歸因于以下優(yōu)點(diǎn):1.獨(dú)特的一維碳中空結(jié)構(gòu)，具有豐富的微孔/中孔以及獨(dú)特的開(kāi)放腔，可以提供優(yōu)異的電子/電解質(zhì)通道，有利于活性位點(diǎn)的暴露；2.高密度的吡啶和石墨氮摻雜可以有效地調(diào)節(jié)分離鐵原子的微環(huán)境，縮小ORR過(guò)程的活化能壘；3.碳基底的高石墨化可以進(jìn)一步提高原子Fe-N4的電導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Isolating Fe Atoms in N-Doped Carbon Hollow Nanorods through a ZIF-Phase-Transition Strategy for Efficient Oxygen Reduction. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202205033
