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共聚物热解法制备S,N共掺杂碳负载Fe单原子用于高效氧还原反应

【引言】

下一代能量转换和存储装置的发展,如燃料电池和金属空气电池,严重依赖电催化氧还原反应(ORR)。以铂(Pt)电催化剂为主导的贵金属基ORR催化剂已得到很好的发展,并具有较高的活性。然而,其高昂的成本、稀缺的储量和长期稳定性问题极大地阻碍了大规模商业应用。铁/氮掺杂碳(Fe/NC)催化剂近年来成为有希望替代贵金属的新一代催化材料。尽管Fe基ORR催化剂经历了快速的发展,这些材料的性能仍然难以满足大规模商业应用。在Fe/NC材料中掺杂其他杂原子,特别是硫(S),被发现在提高ORR反应活性方面具有很大潜力。硫原子类似于氮原子,是p区元素,但与氮原子有着不同的电负性和原子半径。硫相对较大的原子半径,可能会导致碳载体缺陷,而更低的电负性则有望改变活性中心的电子结构。通常,硫原子可以通过热解包含S的分子、盐或树脂来掺杂到碳氮基载体,也可以在高温下或使用等离子体处理以及化学气相沉积法引入。然而,这些方法工艺较为复杂,且硫掺杂含量,特别是硫氮原子比在很大程度上是固定的,很难进行调控。另一方面,硫掺杂对铁活性中心的影响机制以及为什么硫掺杂会提高Fe基催化剂的性能也有待阐明。

 【成果简介】

近日,清华大学李亚栋院士和李治博士后(共同通讯作者)相关论文“Fe Isolated Single Atoms on S, NCodoped Carbon by Copolymer Pyrolysis Strategy for Highly Efficient OxygenReduction Reaction”发表在顶级期刊AdvancedMaterials(影响因子:19.27)上。共同第一作者为李启恒,陈文星和肖海。本文提出了一种新颖便捷的吡咯-噻吩共聚物热解策略,来可控地制备Fe单原子/硫氮共掺杂碳催化剂(Fe-ISA/SNC),并通过X射线吸收精细结构(XAFS)谱学结构分析和理论计算来解析Fe单原子的配位环境和ORR催化机制。共聚物热解策略制备的Fe-ISA/SNC中硫/氮比在很大范围内可调,其催化效率随着硫氮比的增加而呈现出火山型曲线。优化的Fe-ISA/SNC显示了0.896 V(对应RHE,下同)的半波电位,高于Fe-ISA/NC、商业Pt/C和截至目前报告的大多数非贵金属催化剂。在碱性条件下,经历了15000圈的循环CV测试后,Fe-ISA/SNC的活性几乎不衰减,具有优异的催化稳定性。基于XAFS测量的结构参数和理论计算模型分析,研究者确立了一种新型的FeN4S2模型,发现硫的掺杂能调整Fe周围N原子的电荷分布,降低了决速步OH*还原的反应势垒,从而提高了ORR催化的整体效率

 【图文解析】

共聚物热解法制备S,N共掺杂碳负载Fe单原子用于高效氧还原反应

图1 a) Fe – ISA/SNC的合成过程的示意图。b)PPy-co-PTh 聚合物的SEM图像。c) PPy – co – PTh和Fe – ISA/SNC的红外光谱。d) Fe – ISA/SNC和Fe – ISA/NC的XRD谱。e) Fe – ISA/SNC的HAADF -STEM图像以及(f)对应的Fe(绿色)、C(蓝色)、N(红色)和S(橙色)元素分布图。g) Fe – ISA/SNC的高分辨HAADF – STEM图像。红圈突出显示单个Fe原子。

共聚物热解法制备S,N共掺杂碳负载Fe单原子用于高效氧还原反应

图2 a) Fe K – edge XANES光谱,b) Fe – ISA/SNC的FT -EXAFS曲线(Fe K – edge)。c) Fe -ISA/SNC和Fe – ISA/NC之间的定量EXAFS拟合分析。d) S K – edge XANES光谱和(e) Fe – ISA/SNC和参比材料的线性拟合曲线。f) Fe – ISA/SNC中FeN4S2活性位点的分子结构。

共聚物热解法制备S,N共掺杂碳负载Fe单原子用于高效氧还原反应

图3a)含不同N/S原子比例的Fe – ISA/SNC样品ORR极化曲线。b) Fe – ISA/SNC材料中N/S比例与相应E1/2的火山型关系曲线。c) 最优Fe – ISA/SNC样品、一系列对照样品以及商业Pt/C的ORR极化曲线。d) Fe – ISA/SNC、Fe – ISA/NC和Pt/C的E1/2以及0.85 V处电流密度Jk的对比图。e) 从0.2到0.85 V Fe – ISA/SNC和Pt/C的H2O2产量和电子转移数。f) 15,000个周期循环前后的ORR极化曲线。

共聚物热解法制备S,N共掺杂碳负载Fe单原子用于高效氧还原反应

图4 a)Fe – ISA/SNC的优化几何结构。b)在U = 1.23 V碱性条件下Fe – ISA/SNC和Fe -ISA/NC的ORR势能图。

 

为了理解Fe-ISA/SNC高ORR反应活性的本质,研究者通过DFT的计算进一步研究了Fe – ISA/SNC在碱性溶液中的ORR机制。研究者计算了Fe – ISA/SNC(图4a)和Fe‐ISA/NC催化剂在U = 1.23 V中的自由能。如图4b所示,ORR的最后一步(*OH还原)是催化决速步骤。与Fe – ISA/NC相比,Fe – ISA/SNC在*OH还原的过电位降低了0.05 V。这是由于S的掺杂诱导了负电荷在N上聚集,排斥*OH,促进了其还原释放,从而提高了整体ORR催化效率。

 综上所述,研究者开发了一种便捷有效的共聚物热解策略,合成了具有可控成分和分子结构的Fe- ISA/SNC电催化剂。与商业Pt/C相比,Fe – ISA/SNC样品显示出了增强的碱性ORR活性和耐久性,其性能也在顶级非贵金属ORR催化剂行列中。XAFS分析和DFT计算表明,S的相对较低的电负性可以富集N原子上的电荷,促进了决速步OH*还原释放,从而加速了整个ORR过程。

 Qiheng Li, Wenxing Chen, Hai Xiao, Yue Gong, Zhi Li, Lirong Zheng, Xusheng Zheng, Wensheng Yan, Weng-Chon Cheong, Rongan Shen, Ninghua Fu, Lin Gu, Zhongbin Zhuang, Chen Chen, Dingsheng Wang, Qing Peng, Jun Li, and Yadong Li, FeIsolated Single Atoms on S, N Co-doped Carbon by Copolymer Pyrolysis Strategy for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction, Advanced Materials, 2018, 1800588, DOI:10.1002/adma.201800588

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