具有伪酸协调环境的二原子铁,可在15万个周期内高效减少氧气
Zechuan Huang1, Mianfeng Li2, Xinyi Yang1
1School of Materials Science and Engineering, Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials Key Laboratory of Advanced Ceramics and Machining Technology (Ministry of Education), Tianjin University, Tianjin 300350, China.
具有伪氨酸结构的新二原子铁催化剂显著改善了氧降解反应活性和耐久性,超过了传统的催化剂,并显示出空气电池的前景.
科学领域:
- 材料科学
- 电化学
- 催化剂
背景情况:
- 原子分散的铁--碳 (Fe-N-C) 催化剂是氧降解反应 (ORR) 的白金替代品.
- 现有的Fe-N-C催化剂有较差的O-O键断裂和铁脱金属化,限制了它们的活性和耐用性.
- 铁酸 (FePc) 是一个相关的催化剂结构,但面临着类似的挑战.
研究的目的:
- 设计和合成一种具有伪氨酸环境 (Fe2-pPc) 的二原子铁催化剂,以提高ORR性能.
- 研究Fe2-pc催化剂的催化机制和耐用性.
- 评估Fe2-pPc在空气电池中的性能.
主要方法:
- 通过将FePc核心移植到有缺陷的碳上来合成Fe2-pc催化剂.
- 在现场表征和理论计算以阐明催化路径.
- 电化学测试,包括半波电位测量和加速降解测试 (15万个周期).
- 使用Fe2-pc催化剂制造和测试空气电池.
主要成果:
- Fe2-pc遵循快速动力解离路径,具有桥式氧吸附和直接的O-O基分裂.
- 达到0.92V的超级半波潜力,超过传统的Fe-N-C和FePc催化剂.
- 经过15万次循环后,铁损失微不足道,活动衰减仅为17mV.
- 使用Fe2-ppc的气电池实现了255mW cm-2的功率密度和超过440小时的稳定运行.
结论:
- 在Fe2-pPc中的伪氨酸环境稳定了二原子铁,使得有效的O-O键裂变和高ORR活性.
- Fe2-pPc具有前所未有的耐用性,超过现有的Fe-N-C催化剂.
- 这项工作为设计具有更好的性能和稳定性的原子精度金属催化剂提供了新的策略.
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