近年來，全球能源需求不斷增加，極大地推動了可再生清潔能源的深入研究。燃料電池和鋅空氣電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，是極具發(fā)展前景的實現(xiàn)碳中和的裝置。貴金屬催化劑，如Pt可以有效地加速陰極氧還原反應(ORR)。然而，Pt基材料的高成本和穩(wěn)定性不足嚴重限制了其實際應用。因此，非貴金屬基催化劑的合成成為燃料電池這一研究領域的重要方向之一。
基于此，中國科學院上硅所華子樂等人采用連續(xù)的化學摻雜和絡合吸附的方法，成功構(gòu)建了共價三嗪骨架(CTFs)衍生的Fe/Co二元金屬單原子(SACs)催化劑用于ORR。
為了研究催化劑的ORR性能，本文采用旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)進行了電化學測試。首先，F(xiàn)e/CoN-C的循環(huán)伏安(CV)曲線顯示，在O2飽和的電解質(zhì)(0.1 M KOH)中，在0.938 V處有明顯的氧還原陰極峰，表明其具有ORR活性。
此外，F(xiàn)e/Co-N-C具有1.04 V的起始電位(Eonset)和0.922 V的半波電位(E1/2)，這優(yōu)于Fe-N-C(1.02和0.885 V)，Co-N-C(0.99和0.871 V)，Pt/C(1.02和0.878 V)和大多數(shù)非貴金屬催化劑。此外，F(xiàn)e/Co-N-C在0.85 V電位下的動力學電流密度(JK)為26.32 mA cm-2，高于Pt/C的8.55 mA cm-2，表明其具有優(yōu)異的本征活性。值得注意的是，催化劑在0.1 M HClO4中也表現(xiàn)出良好的ORR活性，F(xiàn)e/Co-N-C的Eonset為0.904 V，E1/2為0.769 V，比其他兩種催化劑更有活性。同時，E1/2與Pt/C相比只有21 mV的負移，比大多數(shù)非貴金屬催化劑都好。
為了進一步證明催化劑的協(xié)同作用，還將KSCN加入到0.1 M HClO4溶液中。加入KSCN后，F(xiàn)e/Co-N-C的擴散電流密度明顯降低，E1/2負移60 mV。但是Fe/Co-N-C的H2O2產(chǎn)率低于4.4%，表明ORR對O2直接還原為H2O具有良好的選擇性。此外，在1 M KOH溶液中使用線性掃描伏安法(LSV)測試了催化劑的OER催化性能。Fe/Co-N-C在100 mA cm-2時的過電位為334 mV，小于Pt/C的過電位(367 mV)。合成的Fe/Co-N-C對ORR和OER均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
Fe/Co-N-C優(yōu)異的電催化性能可能是由于摻雜了Co而產(chǎn)生更多的缺陷，有利于后續(xù)通過Fe吸附生成更多的Fe-N4。同時，多孔結(jié)構(gòu)有助于增加比表面積，促進活性位點的暴露。為了驗證Fe/Co-N-C的催化機理，本文獲得了K-L圖。對應的K-L曲線具有很好的線性關系，表明ORR的一級反應動力學。同時，在堿性介質(zhì)中n為4，表明還原過程為O2→H2O。
此外，還進行了旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)測試，F(xiàn)e/Co-N-C的H2O2產(chǎn)率低于3.4%，進一步表明其具有良好的四電子ORR過程。有趣的是，由Fe/Co-N-C催化劑組成的ZABs不僅具有較高的開路電壓和最大的功率密度，而且在長期的充放電穩(wěn)定性測試中保持性能穩(wěn)定。本研究為高效的ORR催化劑的制備提供了一種有前景的方法。
Atomically Dispersed Fe/Co Dual Sites Electrocatalysts Derived from Covalent Triazine 0Frameworks for Boosting the Oxygen Reduction,?Journal of Materials Chemistry A,?2023, DOI: 10.1039/d3ta00307h.
https://doi.org/10.1039/D3TA00307H.
