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金沙乐娱场69626:徐明丽教授在氢能燃料电池催化剂领域取得重要进展

发布日期:2024-05-08 点击量:

日前,昆明理工大学冶金与能源工程金沙乐娱场69626徐明丽教授课题组在氢能燃料电池催化剂领域连续取得重要进展。研究工作1:以“Regulating the double-site Mn2-N6 electronic structure by manganese clusters for enhanced oxygen reduction”为题发表在催化领域国际顶级期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上,共同第一作者:硕士研究生罗光涛、博士研究生朱恩泽。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”为题发表在能源领域国际顶级期刊Energy Storage Materials上,第一作者:博士研究生朱恩泽。以上研究工作,昆明理工大学均为唯一通讯单位,通讯作者:徐明丽教授。

目前,燃料电池汽车的商用催化剂为碳载Pt基催化剂,而Pt资源稀缺、价格昂贵限制了燃料电池汽车的大规模商业化发展。为降低成本、减少对贵金属的依赖,研究人员积极探索非贵金属催化剂的替代方案。在非贵金属催化剂中,铁-氮-碳(Fe-N-C)单原子催化剂因其优异的氧还原反应(ORR)性能、相对低成本和可持续性备受关注。然而,Fe-N-C催化剂在ORR过程中容易发生芬顿反应,产生过氧化氢,腐蚀电极,降低电池寿命。而Mn基催化剂基本不涉及芬顿反应,可大大提高电池寿命。基于此,在研究工作1中,研究团队创新性提出一种“由Mn团簇调控同核Mn双单原子位点Mn2-N6的电子结构来实现高效ORR性能”的策略。其中,同核双单原子Mn2-N6由于存在两个活性位点,吸附氧气时以桥联方式吸附,解决了孤立的单原子活性位点对氧吸附能力不足的问题;同时,Mn团簇的引入,使Mn2-N6的平面结构发生畸变,降低了含氧中间体在活性位点上的吸附强度,使ORR反应能垒降低,打破了反应中间体在孤立活性位点上的吸脱附比例关系极限,从而加速了ORR过程。这种以团簇修饰同核双单原子位点来提升ORR性能的策略,为今后非贵金属单原子催化剂的研究和发展提供了一种新思路。

图1 Mn团簇协同Mn2-N6活性位点促进ORR机制示意图

如前所述,目前对单原子催化剂的研究大部分主要集中在对其活性位点d电子结构的调控来提高反应性能。然而,ORR作为一个多步的电子耦合质子转移反应,不仅与氧中间体的吸附能有关,而且与质子化过程密切相关,仅仅调控电子结构,对于提升其性能的帮助是有限的。因此,研究非贵金属催化剂中的Fe-N-C催化剂,不仅需要调节Fe的d电子结构,而且通过构建反应中间体与电解质之间的氢键,对于提高氧电催化反应的动力学活性至关重要。

基于此,研究工作2报道了一种原子全暴露的Fe掺杂的CuO团簇与单原子位点协同的新型催化剂。实验和DFT计算表明:一方面,协同的Cu-O-Fe 团簇能有效诱导铁单原子位点的电子结构重新分布、调节氧吸附能并降低 ORR 势垒;另一方面,谱学表征和理论计算表明Cu-O-Fe团簇协同构建了含氧反应中间体与电解质分子之间的氢键,所构建的氢键不仅可以稳定含氧反应中间体,同时拉伸了ORR最后一步的Fe-O键长,有助于OH*的脱附;更为质子传输提供了通道,提高了反应动力学。这项研究中展示的新颖的催化剂结构和协同机制,为开发绿色能源转换装置中的高性能催化剂提供了新的视角和参考。

图2. Cu-O-Fe团簇与单原子位点协同促进ORR机制示意图

以上研究工作得到国家自然科学基金、云南省重大科技专项、云南省基础研究计划(重点)项目的资助。

论文链接:

ACB:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123939

ESM:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103410

(供稿:冶能金沙乐娱场69626)

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