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昆明理工大學徐明麗教授在氫能燃料電池催化劑領域取得重要進展

昆明理工大學發(fā)布時間：2024-05-09 15:05:22

　　日前，昆明理工大學冶金與能源工程學院徐明麗教授課題組在氫能燃料電池催化劑領域連續(xù)取得重要進展。研究工作1：以“Regulating the double-site Mn2-N6 electronic structure by manganese clusters for enhanced oxygen reduction”為題發(fā)表在催化領域國際頂級期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上，共同第一作者：碩士研究生羅光濤、博士研究生朱恩澤。研究工作2：以“Electron redistribution and proton transfer induced by atomically fully exposed Cu-O-Fe clusters coupled with single-atom sites for efficient oxygen electrocatalysis”為題發(fā)表在能源領域國際頂級期刊Energy Storage Materials上，第一作者：博士研究生朱恩澤。以上研究工作，昆明理工大學均為唯一通訊單位，通訊作者：徐明麗教授。

　　目前，燃料電池汽車的商用催化劑為碳載Pt基催化劑，而Pt資源稀缺、價格昂貴限制了燃料電池汽車的大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展。為降低成本、減少對貴金屬的依賴，研究人員積極探索非貴金屬催化劑的替代方案。在非貴金屬催化劑中，鐵-氮-碳(Fe-N-C)單原子催化劑因其優(yōu)異的氧還原反應(ORR)性能、相對低成本和可持續(xù)性備受關注。然而，F(xiàn)e-N-C催化劑在ORR過程中容易發(fā)生芬頓反應，產(chǎn)生過氧化氫，腐蝕電極，降低電池壽命。而Mn基催化劑基本不涉及芬頓反應，可大大提高電池壽命。基于此，在研究工作1中，研究團隊創(chuàng)新性提出一種“由Mn團簇調(diào)控同核Mn雙單原子位點Mn2-N6的電子結構來實現(xiàn)高效ORR性能”的策略。其中，同核雙單原子Mn2-N6由于存在兩個活性位點，吸附氧氣時以橋聯(lián)方式吸附，解決了孤立的單原子活性位點對氧吸附能力不足的問題;同時，Mn團簇的引入，使Mn2-N6的平面結構發(fā)生畸變，降低了含氧中間體在活性位點上的吸附強度，使ORR反應能壘降低，打破了反應中間體在孤立活性位點上的吸脫附比例關系極限，從而加速了ORR過程。這種以團簇修飾同核雙單原子位點來提升ORR性能的策略，為今后非貴金屬單原子催化劑的研究和發(fā)展提供了一種新思路。

圖1 Mn團簇協(xié)同Mn2-N6活性位點促進ORR機制示意圖

　　如前所述，目前對單原子催化劑的研究大部分主要集中在對其活性位點d電子結構的調(diào)控來提高反應性能。然而，ORR作為一個多步的電子耦合質(zhì)子轉移反應，不僅與氧中間體的吸附能有關，而且與質(zhì)子化過程密切相關，僅僅調(diào)控電子結構，對于提升其性能的幫助是有限的。因此，研究非貴金屬催化劑中的Fe-N-C催化劑，不僅需要調(diào)節(jié)Fe的d電子結構，而且通過構建反應中間體與電解質(zhì)之間的氫鍵，對于提高氧電催化反應的動力學活性至關重要。

　　基于此，研究工作2報道了一種原子全暴露的Fe摻雜的CuO團簇與單原子位點協(xié)同的新型催化劑。實驗和DFT計算表明：一方面，協(xié)同的Cu-O-Fe 團簇能有效誘導鐵單原子位點的電子結構重新分布、調(diào)節(jié)氧吸附能并降低 ORR 勢壘;另一方面，譜學表征和理論計算表明Cu-O-Fe團簇協(xié)同構建了含氧反應中間體與電解質(zhì)分子之間的氫鍵，所構建的氫鍵不僅可以穩(wěn)定含氧反應中間體，同時拉伸了ORR最后一步的Fe-O鍵長，有助于OH*的脫附;更為質(zhì)子傳輸提供了通道，提高了反應動力學。這項研究中展示的新穎的催化劑結構和協(xié)同機制，為開發(fā)綠色能源轉換裝置中的高性能催化劑提供了新的視角和參考。