南京理工熊攀、朱俊武教授：软模板层间限域合成铁钴双单原子催化剂用于锌空气电池

颗粒在线讯：研究背景

单原子催化剂（SACs）以其较高的原子利用效率、丰富的暴露电活性位点和可调的电子态，在能量转换和存储方面已成为研究热点。作为SACs的延伸，双单原子催化剂（DSACs）由于具有多样的活性中心和原子间的协同相互作用可以最大限度地提高原子利用率和活性。

然而，传统的制备方法很难保证双单原子在二维载体上的活性和稳定性，因此需要寻找一种合理的制备方法构建高催化性能和稳定性的DSACs并揭示其催化机制。

文章简介

基于此，来自南京理工大学的熊攀和朱俊武教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Soft template-directed interlayer confinement synthesis of a Fe-Co dual single-atom catalyst for Zn-air batteries”的研究型文章。

该工作通过将铁-钴双金属单原子与氮（N）、硫(S)杂原子配位，形成FeN4S1/CoN4S1构型的DSACs（FeCo-NSC）。

图1. FeCo-NSC材料的制备及形貌表征

本文要点

要点一：双原子位点FeCo-NSC的制备与表征

由于双金属单原子具有高的表面能，因此在高温热处理过程中原子不稳定，容易发生迁移从而形成团簇或者纳米颗粒。为了防止这种现象的产生，作者首先将表面活性剂（全氟十四酸和硬脂酸）自组装成的片层胶束作为二维软模板，在其中加入铁、钴的金属前驱体，并通过Fe/Co-O配位键将金属和软模板结合。

利用软模板的羧基基团和吡咯单体的氨基基团之间的氢键作用，将吡咯单体包覆在层状材料表面，并化学聚合、水热处理形成了水凝胶。最后，对凝胶进行水洗，冷冻干燥，在氩气气氛中热解，得到FeCo-NSC。FeCo-NSC的球差电镜图像显示在碳纳米片表面上分布许多分散的原子亮点，而两个相邻亮点之间的距离在0.5 nm左右。

S 2p XPS图谱中仅观察到C-S-C和C-S-N物种，没有检测到金属-S物种，表明在热处理过程后硫原子掺杂在碳纳米片中仅与氮和碳原子结合。X射线吸收近边和扩展X射线吸收精细结构谱图表征金属价态介于+2和+3之间，形成的FeN4S1和CoN4S1原子配位结构与理论优化模型相吻合。

图2. FeCo-NSC材料的结构表征

要点二：双原子位点FeCo-NSC的电催化氧还原反应（ORR）性能

得益于其特殊的配位结构和协同作用，FeCo-NSC材料表现出优异的ORR性能，其半波电势、电流密度、塔菲尔斜率均优于商业Pt/C和单金属原子材料，表现出超过大部分报道材料的ORR性能。

计时电流曲线中40000 s反应时间后FeCo-NSC的电流维持86.1%，优于商用Pt/C的69.9%。经过10000次循环后，半波电位仅下降19 mV，小于Pt/C的37 mV。

图3. FeCo-NSC材料的ORR性能研究

要点三：双原子位点FeCo-NSC的催化机理研究

该工作通过ORR原位拉曼测试发现传统意义上的杂原子N、S掺杂碳材料催化剂（NSC）在反应过程中拉曼峰值比例（ID/IG）发生显著降低，证明与杂原子相邻的活性位点碳原子在吸/脱附氧的过程中会发生结构变化。而相比于对照材料NSC，FeCo-NSC原位拉曼光谱中ID/IG基本不变，表明双单原子活性位点的加入有助于提高整体结构稳定性。

利用密度泛函理论计算进一步探究FeCo-NSC的ORR活性位点和作用机理，结果表明单原子Fe引起Co位点以及周围原子电荷的重新分布，弱化与含氧中间体的相互作用，使中间体在Co原子位点上的脱附更容易。FeCo-NSC中Co位点的工作电压（0.90 V）大于Fe位点（0.52 V），也证实了FeCo-NSC中Co位点的高催化活性。

图4. FeCo-NSC材料的机理研究

要点四：双原子位点FeCo-NSC的锌空电池器件中的应用

为进一步证明该催化剂的高催化活性和稳定性，采用FeCo-NSC为正极，锌片为负极组装锌空电池。基于FeCo-NSC的锌空电池具有较高的开路电压和较好的倍率放电性能。该电池在20 mA cm−2电流密度下，比容量最高为782.1 mAh gZn−1。

恒流放电曲线显示，在5 ~ 100 mA cm−2的电流密度范围内，该组装电池保持着较高的放电电压，可以与大多数报道的材料相媲美，在实际应用中具有较高的潜力。

图5. FeCo-NSC材料的锌空电池应用研究

文章链接：

Soft template-directed interlayer confinement synthesis of a Fe-Co dual single-atom catalyst for Zn-air batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.12.029