Fe-N配位單原子催化劑（SAC）被認為是鋅空氣電池（ZAB）氧還原反應（ORR）中商業Pt/C電催化劑最重要的替代品之一。然而，精確調節 Fe 位點的配位構型以增強 SAC 的催化性能仍然難以實現。在此，研究人員開發了一種限域在石墨烯框架（Fe-N，O/G）中的N，O對稱雙配位Fe單原子的創新結構，具有配位不飽和（CUS）Fe位點，可用于鋅-空氣電池中的高活性和耐用的ORR電催化劑。所設計的催化劑通過調節Fe單原子的配位環境實現了高效的ORR活性，提供0.86 V的正半波電位。此外，基于Fe-N,O/G催化陰極構建的鋅空氣電池在20 mA cm
-2下實現了164.7 mW cm
-2的峰值放電功率密度和大于150 h的放電穩定性，超過了Pt/C催化劑。理論計算結果表明，N、O對稱配位的精細結構有利于增強電導率和活性，有利于ORR過程中的4電子傳輸過程。這項工作豐富了調節SAC協調環境以提高催化性能的系統。
Fig 1. Fe-N,O/G 的合成和形貌表征。 (a) Fe-N,O/G的合成過程示意圖。 Fe-N,O/G 的 (b) SEM、(c) TEM 和 (d) HAADF-STEM 圖像。 (e) Fe-N,O/G 的暗場 STEM 圖像和 EDS 映射。
Fig 2. Fe-N,O/G 的結構表征。 (a) 歸一化 Fe K 邊 XANES 光譜和 (b) Fe-N、O/G 和參考樣品相應的傅里葉變換 (FT) 曲線。 (c) Fe-N,O/G 的 R 空間擬合曲線的 EXAFS。插圖是 Fe-N,O/G 中 FeN2O2 構型的原子模型。灰色、紅色、藍色和橙色球體分別對應于 C、O、N 和 Fe 原子。 (d)–(f) (d) Fe 箔、(e) Fe-N,O/G 和 (f) FePc 的連續小波變換 k3 加權 EXAFS。
Fig 3. Fe-N,O/G 的電化學 ORR 性能。 (a) Fe-N,O/G 在 0.1 M KOH 飽和O
2 和 N
2 中在 50 mV s
-1 下的 CV 測試。 (b) Fe-N,O/G、Fe-N/G、Fe-O/G、N,O/G 和 Pt/C 電催化劑在 O
2 飽和的 0.1 M KOH 中的 LSV 測試（5 mV s
-1，1600 rpm）。 (c) Fe-N,O/G、Fe-N/G、Pt/C 和 Fe-O/G 相應的起始電位和半波電位。 (d) Fe-N,O/G、Fe-N/G、Fe-O/G、N,O/G 和 Pt/C 的塔菲爾圖。 (e) 通過 RRDE 測量記錄的 Fe-N,O/G 的環電流和盤電流。 (f)基于(e)計算的過氧化物百分比和電子轉移數(n)。 (g) Fe-N,O/G 的 K-L 圖和 n。 (h) Fe-N、O/G 和 Pt/C 的穩定性曲線。 (i) Fe-N、O/G 和 Pt/C 的甲醇耐受性。
Fig 4. Fe-N,O/G 基鋅空氣電池的電化學性能。 (a) ZAB 示意圖。 (b) 水系鋅空氣電池的 OCP 圖。(c) 用 Fe-N、O/G 或 Pt/C 組裝的水性 ZAB 的偏振圖和功率密度。 (d) 基于 Fe-N、O/G 和 Pt/C 催化劑的水性 ZAB 在 20 mA cm
-2 下的長期放電曲線。 （e）具有 Fe-N,O/G 陰極的水性鋅空氣電池在 5 至 50 mA cm
-2 不同電流密度下的放電圖。 (f) 由串聯固態 Fe-N,O/G 鋅空氣電池供電的黃色 LED 的照片。
Fig 5. (a) Fe-N,O/G 上的 ORR 反應方案。 (b) FeN2O2-1、FeN2O2-2、FeN1O3 和 FeN3O1 上 ORR 中氧化中間體的自由能途徑的比較。 (c) Fe-N、O/G、Fe-N/G 和 Fe-O/G 模型中的電荷密度差（黃色和青色分別代表電荷積累和耗盡）。 (d) 計算出的 Fe-N,O/G、Fe-N/G 和 Fe-O/G 的 DOS 和 PDOS。 (e) Fe-N,O/G、Fe-N/G 和 Fe-O/G 的 ORR 中含氧中間體的自由能途徑。
相關研究工作由大連化物所Zhong-Shuai Wu課題組于2023年在線發表在《Energy Environmental Science》期刊上，N,O symmetric double Coordination of Unsaturated Fe Single-Atom Confined within Graphene Framework for Extraordinarily Boosting Oxygen Reduction in Zn-Air Batteries，原文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EE/D3EE00747B。
轉自《石墨烯研究》公眾號
