為實現(xiàn)燃料電池的實際應(yīng)用，開發(fā)高效、耐用的無鉑（Pt）催化劑至關(guān)重要?；诖?，北京化工大學(xué)曹達鵬教授（通訊作者）等人報道了一種具有Zn-吡咯-N4基團和豐富介孔結(jié)構(gòu)的原子分散ZnNC催化劑。
基于ZnNC的陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）在H2-O2和H2-空氣（無CO2）中表現(xiàn)出1.63和0.83 W cm-2的超高峰值功率密度，并且在H2-空氣（不含CO2）和H2-O2中表現(xiàn)出分別超過120和100 h的長期穩(wěn)定性。本文通過DFT計算，以研究ZnNC催化劑可能的催化機理。在文中，包含Zn-吡啶-N4和Zn-吡咯-N4兩種模型。對于這兩種模型ORR的自由能圖，其中速率決定步驟，即最后一步（OH*→H2O）決定了它們的ORR性能。Zn-吡咯-N4對OH*的吸附過多，導(dǎo)致其不活躍（Uonset=-0.013 V），而Zn-吡啶-N4對OH*的吸附適中，具有較好的活性（Uonset=0.575 V）。因此，合成的ZnNC應(yīng)具有Zn-吡咯-N4基團，而不是Zn-吡啶-N4基團，因為Zn-吡咯-N4模型具有較高的ORR活性。XAFS擬合分析表明，ZIF-8-ZnNC中的Zn原子與4個N原子配位。上述分析表明，Zn-MOF衍生催化劑更容易形成無活性的Zn-吡啶-N4基團。兩種模型的部分態(tài)密度（PDOS）圖表明，其中Zn-吡咯-N4模型的Zn-軌道分裂較少，更接近于離子形式。而Zn-吡啶-N4則相反，對比Zn-吡咯-N4相比，dxy向低能級轉(zhuǎn)移，dx2-y2向高能級轉(zhuǎn)移，使得軌道更加發(fā)散，導(dǎo)致其吸附能力極強。Atomically Dispersed Zn-Pyrrolic-N4 Cathode Catalysts for Hydrogen Fuel Cells. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202216041.https://doi.org/10.1002/anie.202216041.
