太阳集团tyc539化学系、可持续能源研究院赵宏滨教授团队在高活性非贵金属单原子氧还原反应电催化剂研究上取得重要进展，该成果通过基于双金属单原子级联反应协同作用，利用第一原理的密度泛函理论计算提出了一种实现燃料电池高效氧阴极催化剂新的作用机制。论文以“Enhanced Performance of Atomically Dispersed Dual-site Fe-Mn Electrocatalysts Through Cascade Reaction Mechanism”为题发表于化学催化顶级学术期刊《应用催化B-环境》(Applied Catalysis B: Environmental)
近日，太阳集团tyc539赵宏滨教授团队利用双活性位点设计了具有高效催化活性的原子级分散的Fe-Nx和Mn-Nx共存的ORR催化剂，以克服氧还原反应中间体OH*在单个Fe点上的弱吸附能力。同时，利用球差校正扫描透射电子显微镜和X射线吸收光谱（XAS）揭示了催化剂的双原子构型和配位路径。与单原子Fe-N-C和Mn-N-C催化剂相比，该双原子Fe/Mn-N-C催化剂的活性得到了显著地增强。结合DFT理论计算，揭示了协同催化的关键在于克服OH*在Fe位点上的弱吸附能力。具体催化路径为氧还原反应前三个步骤发生在Fe-Nx位点上，然后中间体OH*由Fe-Nx位点迁移到相邻的Mn-Nx位点上并在Mn-Nx位点上完成后续的反应过程。
团队采用ZnO模板法制备了中空碳结构并具有双活性位点Fe/Mn-N-C单原子催化剂，该双活性位Fe/Mn-N-C单原子催化剂具有显著增强的ORR活性，其中其E1/2为0.86 V，JL为5.7 mA cm-2，起始电位为0.99 V，其ORR性能明显优于单原子Mn-N-C催化剂，单原子Fe-N-C催化剂，甚至可以媲美20%商用Pt/C催化剂。
图1 Fe/Mn-N-C单原子催化剂的合成过程示意图
图2 DFT第一性原理模拟计算Fe/Mn-N-C (Mn-Nx位点)上的ORR过程自由能变化路径Fe/Mn-N-C上ORR过程示意图
图3电化学性能分析
本文第一作者为太阳集团tyc539硕士研究生陈哲，现为复旦大学博士，通讯作者为太阳集团tyc539赵宏滨教授，方建慧教授，叶代新特聘副研究员，赵康宁讲师。本课题得到了科技部重点研发项目2017YFB0102902,浙江省重点研发计划19H01798支持。
赵宏滨和张久俊教授指导下的氢能与燃料电池研究中心团队，主要从事氢能燃料电池催化剂、离子膜、电堆和系统集成，锂硫电池关键材料与器件、新型固体无机电解质等方面的研究。承担了国家重点研发计划、浙江省重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、青年项目、省部级科委重点基础项目，上海市浦江人才项目、上海市青年东方学者项目等30余项，企业委托横向课题8项。编著电化学相关专业系列书籍20余本，申报国家发明专利20余项（授权12项），在国内外重要刊物上发表SCI和EI收录论文200余篇，SCI引用近2000次；培养博士及硕士20余名。
团队近期在非贵金属氧还原、电解水制氢催化剂方面开展深入研究，取得一系列研究成果。
Zhe Chen, Kangning Zhao, Daixin Ye, Jianhui Fang, Honggbin Zhao, Jiujun Zhang, Enhanced Performance of Atomically Dispersed Dual-site Fe-Mn Electrocatalysts Through Cascade Reaction Mechanism, Appl. Cat. B: Environ, DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120021
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Jian Cai, Daixin Ye, Honggbin Zhao, Jiujun Zhang,Recent Progress in Noble Metal Nanocluster and Single Atom Electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reaction. J. Mate. Chem. A. 2020; doi:10.1039/d0ta06942f
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Wenjuan Cao, Daixin Ye, Honggbin Zhao, Jiujun Zhang Ir Cluster-Decorated Carbon Composite as Bifunctional Electrocatalysts for Acidic Stable Overall Water Splitting. J. Electrochem. Soc., 2020; 167(10):10
