010-82930964 
编号：NMJS09703
篇名：石墨烯纳米片锚定Pt-N3O强配位结构加速电催化氧还原四电子转移过程（英文）
作者：王心琪1；张雪元1；焦梦改1,2；马润林1；谢芳1；万浩1；沈祥建1；张利利1；马炜1,3；周震1,4
关键词： 氧还原反应; Pt-N3O活性中心; Pt单原子; 超薄碳层; 金属-载体相互作用;
机构： 1.郑州大学化学化工学院,新能源科学与工程交叉研究中心(IRC4SE2)2.南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室3.中南大学粉末冶金国家重点实验室4.南开大学材料科学与工程学院,新能源材料化学研究
摘要： 电化学技术驱动的可持续能源转化与利用,因其高效、清洁的特点,正逐步成为替代传统化石能源的主流选择,并受到广泛关注.燃料电池和金属-空气电池作为清洁高效的能源转化与储能技术,在长续航动力电池和高能量密度储能领域展现出卓越的应用潜力,近年来发展迅猛.阴极氧还原反应（ORR）作为能量转换的核心环节,直接决定了电催化过程的整体反应效率.然而, ORR过程涉及多步电子耦合质子转移以及多种反应中间体的生成与转化,导致其反应动力学缓慢且反应能垒较高.虽然Pt基催化剂在ORR过程中表现出优良的性能和良好的实用性,但由于其储量低、价格高,严重制约了大规模推广应用.因此,开发高效低Pt含量ORR电催化剂,已成为当前研究的迫切需求.近年来,金属-氮-碳（M-N-C）单原子催化剂因其极高的原子利用率、可调控的电子结构以及较高的能量转换效率而备受关注.金属有机框架衍生的碳基材料,凭借其高比表面积以及均匀的金属分散性,为制备M-N-C单原子催化剂提供了理想的载体.因此,本文创新性地提出了一种无机盐介导的二次煅烧策略,通过KCl和LiCl辅助剥离Zn-ZIF,获得了超薄的氮/氧掺杂石墨烯纳米片（N/O-GNs）,为高暴露的Pt-N3O活性结构提供了稳定的锚定位点,成功构筑了氮、氧共掺杂石墨烯纳米片负载的Pt单原子催化剂（Pt-N/O-GNs）,该Pt-N/O-GNs催化剂中Pt含量约为0.44 wt%.并且,通过引入N和O杂原子,形成不对称Pt-N3O结构,实现了对金属活性位的表面配位环境调控,进而有效加速氧还原四电子转移过程（氧还原起始电位和半波电位分别为0.99和0.88 V）,催化剂稳定性和抗毒化能力得到同步提升.理论计算研究也证实了少层石墨烯中掺杂的异质原子对Pt单原子的稳定锚定作用,以及氧还原反应中的四电子转移过程是更受热力学支持的反应途径.此外,以Pt-N/O-GNs作为阴极催化剂组装应用于锌-空气电池,展现出优异的功率密度和循环稳定性.综上所述,本研究利用无机盐剥离工艺成功实现了高暴露Pt单原子在超薄石墨烯载体上的稳定锚定,显著提升了低Pt材料的电催化性能.实验与理论研究均表明,该催化剂的优异催化性能主要归因于Pt-N3O配位结构在氧还原反应过程中兼顾了高活性与高稳定性.这些发现为单金属位点电催化剂的定向设计与精准制备提供了新的理论和实践依据,同时也为单原子催化剂的高效合成开辟了具有普适性的新路径.
