高活性生物質(zhì)碳負(fù)載Fe/Pt單原子雙功能催化劑開(kāi)發(fā)

單原子催化劑因其具有最大的原子利用效率、量子尺寸效應(yīng)和活性中心的配位不飽和構(gòu)型而在催化領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在過(guò)去的幾年里，單原子催化劑在燃料電池、電解水和金屬-空氣電池等可再生能源技術(shù)領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展。然而，單原子催化劑的活性位點(diǎn)數(shù)量有限，催化劑合成過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，并且大多數(shù)用于合成單原子催化劑載體的化學(xué)品價(jià)格昂貴、毒性大，嚴(yán)重限制了單原子催化劑的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。同時(shí)，由于金屬與載體之間的弱相互作用，這些具有高表面能的單原子在制備過(guò)程中也容易發(fā)生遷移和聚集。因此，探索環(huán)境友好、廉價(jià)且高效的載體以及高金屬載量催化劑的制備工藝對(duì)于合成雙金屬單原子催化劑至關(guān)重要。

近日，青島能源所梁漢璞研究員帶領(lǐng)的能源材料與納米催化研究組，在利用可循環(huán)再生的生物質(zhì)制備單原子的基礎(chǔ)上（Carbon， 2020， 157614-621. DOI： 10.1016/j.carbon.2019.10.054.），提出一種價(jià)格低廉、環(huán)保且可大規(guī)模生產(chǎn)的Fe/Pt雙單原子催化劑的制備策略（圖1）。該方法以富含鐵的可再生生物質(zhì)紫菜作為原材料，在不添加任何鐵源的情況下，紫菜利用自身毛細(xì)管吸附作用吸收含氮溶液達(dá)到飽和狀態(tài)，再經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤饧纯傻肍e-N-C前驅(qū)體。之后，在水溶液中通過(guò)Fe-N-C的微孔捕獲和氮錨定作用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Pt4+的強(qiáng)錨定，從而得到Fe/Pt雙單原子催化劑（Fe1Pt1/NC）。該催化劑具有較高的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e和Pt的負(fù)載量分別高達(dá)0.166 wt% 和2.29 wt%。經(jīng)研究證明，第二種金屬原子Pt的引入增加了催化劑的活性位點(diǎn)數(shù)量，F(xiàn)e1Pt1/NC中的Fe和Pt均為單原子態(tài)（圖2），以FeN4和PtN4的結(jié)構(gòu)形成活性中心，使得催化劑具有優(yōu)于Fe-N-C前驅(qū)體和商業(yè)Pt/C催化劑的氧還原反應(yīng)和析氫反應(yīng)的催化活性。

圖1 Fe1Pt1/NC雙單原子催化劑的合成路徑

圖2 Fe1Pt1/NC和Fe1/NC的球差電鏡和EXAF表征圖

該研究工作為利用可再生生物質(zhì)設(shè)計(jì)高活性的多功能單原子電催化劑提供了一種有效途徑。相關(guān)成果近期發(fā)表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》雜志上（ACS Sustain. Chem. Eng. 2021， 9， 1， 189–196. DOI： 10.1021/acssuschemeng.0c06558）。

上述研究獲得中國(guó)科學(xué)院人才項(xiàng)目基金，大連清潔能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院科研創(chuàng)新基金，青島創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才基金，大連化物所-青島能源所兩所融合項(xiàng)目基金以及中科院綠色過(guò)程制造創(chuàng)新研究院項(xiàng)目基金的支持。

責(zé)任編輯：PSY