高效、穩(wěn)定的氧還原反應(yīng)(ORR)催化劑對(duì)于金屬-空氣電池和燃料電池技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。通常，Pt基材料如Pt/C，由于其足夠優(yōu)異的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，被認(rèn)為是最優(yōu)異的ORR催化劑。然而，Pt的稀缺性和高成本限制了其大規(guī)模應(yīng)用。近年來，單原子催化劑(SACs)的出現(xiàn)為在原子水平上探索低成本的多相催化劑開辟了新的途徑。與傳統(tǒng)催化劑相比，SACs具有成本低、電子性能可調(diào)、原子利用效率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在各種電催化應(yīng)用中，尤其是ORR具有很高的應(yīng)用前景。
基于此，內(nèi)蒙古大學(xué)谷曉俊和香港城市大學(xué)樓雄文(共同通訊)等人合理地設(shè)計(jì)和合成了錨定在N，P共摻雜碳空心納米棒結(jié)構(gòu)上的FeCo催化劑(FeCo-NPC)，該催化劑展現(xiàn)出了優(yōu)異的ORR性能。為了探究FeCo-NPC及其對(duì)比催化劑的電催化性能，本文在0.1 M KOH電解質(zhì)中進(jìn)行了電化學(xué)ORR測(cè)試。在O2飽和的電解質(zhì)中，F(xiàn)eCo-NPC的循環(huán)伏安(CV)曲線顯示出了一個(gè)明確的陰極峰，其位置接近Pt/C，表明其具有一定的ORR催化能力。此外，從線性掃描伏安(LSV)曲線可以看出，F(xiàn)eCo-NPC不僅表現(xiàn)出與Pt/C(Eonset=0.99 VRHE)一樣的高起始電位(Eonset=0.96 VRHE)，而且還表現(xiàn)出更大的極限電流密度(5.9 mA cm-2)，這甚至超過了Pt/C(5.4 mA cm-2)。更加具體的來說，具有良好ORR活性的FeCo-NPC，其半波電位(E1/2)為0.83 VRHE，在0.75 VRHE時(shí)的動(dòng)力學(xué)電流密度(Jk)為34.6 mA cm-2，優(yōu)于其對(duì)比催化劑(FeCo-NC，F(xiàn)e-NPC和FeCo NPs-NPC)，也同時(shí)接近商業(yè)Pt/C的性能(E1/2=0.84 VRHE，Jk=36.7 mA cm-2)。上述電化學(xué)結(jié)果表明，相對(duì)于完整的Fe單原子位點(diǎn)，引入獨(dú)立的Co原子在提高FeCo-NPC的ORR活性方面起著關(guān)鍵作用。總之，本文通過一種精心設(shè)計(jì)的植酸輔助模板原子化工藝，成功將原子分散的Fe和Co錨定在N，P共摻雜碳空心納米棒結(jié)構(gòu)上(FeCo-NPC)。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，制備的FeCo-NPC催化劑顯著提高了ORR的電催化動(dòng)力學(xué)，表現(xiàn)出較高的ORR半波電位和電流密度。此外，電化學(xué)測(cè)試結(jié)果和密度泛函理論計(jì)算結(jié)果還表明，通過引入Co-N/P配位，可以有效地調(diào)控FeCo-NPC的電子結(jié)構(gòu)，從而協(xié)同提高其熱力學(xué)反應(yīng)能，大大提高了FeCo-NPC的ORR活性。令人興奮的是，由FeCo-NPC組裝而成的鋅-空氣電池展示了良好的電池性能。綜上所述，這項(xiàng)工作說明了兩個(gè)不同原子之間的協(xié)同作用可以用來改善非均相催化劑的電催化活性和動(dòng)力學(xué)，這也進(jìn)一步促進(jìn)了催化劑在能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。Atomically Dispersed Fe Sites Regulated by Adjacent Single Co Atoms Anchored on N-P co-doped Carbon Structures for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction, Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202306047.https://doi.org/10.1002/adma.202306047.
