研究内容

位点密度（SD）和周转频率（TOF）是决定铁氮碳（Fe−N−C）催化剂氧还原活性的两个基本动力学指标，这些催化剂代表了珍贵和稀缺铂的最有前景的替代品。然而，在单个Fe-N-C催化剂中同时优化这两个参数仍然是一个巨大的挑战。

湖南大学费慧龙通过一步化学气相沉积工艺用碘化铵（NH 4 I）蒸气处理典型的Fe-N-C催化剂，不仅可以通过原位释放的NH 3 的蚀刻效应增加催化剂的表面积和孔隙率（从而增加活性位点的暴露），还可以通过掺入碳基质的碘掺杂剂调节Fe-N 4 部分的电子结构。NH 4 I处理的Fe−N−C催化剂具有2.15×10 19 个位点g −1 的SD高值（与未处理的对应物相比增强了2倍）和3.71个电子位点s −1 （增强了3倍）的TOF，对应于12.78 A g -1 的高质量活性。该催化剂在碱中表现出优异的氧还原活性，半波电位（E 1/2 ）为0.924 V，在酸中表现出可接受的活性，E 1/2 =0.795 V，在锌空气电池中具有249.1 mW cm -2 的优异功率密度。相关工作以“A Two-in-One Strategy to Simultaneously Boost the Site Density and Turnover Frequency of Fe−N−C Oxygen Reduction Catalysts”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者开发了一种Fe−N−C催化剂，该催化剂通过在简单的化学气相沉积过程中用碘化铵（NH 4 I）蒸气对原始Fe−N−C材料进行处理，同时实现了高SD和TOF值。高温NH 4 I处理不仅通过在碳基材中产生大量缺陷和孔隙增加了表面积（从801.4 m 2 g −1 增加到1413.7 m 2 g −1 ），而且通过将碘（I）原子掺杂剂掺入碳基质中优化了铁位点的电子结构。

要点2.原位亚硝酸盐汽提定量表明，NH 4 I处理的Fe-N-C催化剂（Fe-N-C NH4I ）的SD值为2.15×10 19 个位点g -1 ，TOF值为3.71个电子位点 s -1 ，导致j m =12.78 A g -1 的高质量活性。这种催化剂的SD和TOF值分别比未经处理的对应物高出约2倍和约3倍。

要点3.结合密度泛函理论计算的多种实验表征表明，I掺杂剂可以调节催化剂的d带中心，为氧中间体提供最佳的吸附强度，从而促进ORR过程。在旋转环盘电极（RRDE）和锌空气电池测量中，Fe-N-C NH4I 在碱中表现出优异的ORR活性，在酸中也表现出可接受的活性。

研究图文

图1. Fe-N-C NH4I 的合成与表征。

图2. NH 4 I处理引起多孔结构的变化。

图3. SD和TOF分析。

图4. DFT计算。

图5. ORR性能及其在锌空气电池中的应用。

文献详情

A Two-in-One Strategy to Simultaneously Boost the Site Density and Turnover Frequency of Fe−N−C Oxygen Reduction Catalysts

Jianbin Liu, Yao Liu, Bing Nan, Dashuai Wang, Christopher Allen, Zhichao Gong, Guanchao He, Kaixing Fu, Gonglan Ye, Huilong Fei*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI : https://doi.org/10.1002/anie.202425196

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