铁、锌共掺杂单原子碳基催化剂用于酸性介质中的氧气还原反应

　　氧还原催化反应对于质子交换膜燃料电池是极其重要的。金属-氮掺杂碳基材料是近年来发展起来的一类非贵金属碳基氧还原催化剂。在开发该类催化剂过程中，存在以下问题：其一、金属元素是重要活性位点组成部分，如何在催化剂内部实现高金属掺杂，此外除常规的铁-氮配位活性位点之外，是否存在新的活性位点结构？其二 如何实现高性能非贵金属氧还原催化剂的大规模制备。 

　　北京理工大学一个课题组以氧化锌（ZnO）和2-甲基咪唑（2-MeIM）为前驱体酞菁铁（FePc）， 通过机械化学技术，原位将酞菁铁（FePc）均匀封装在金属有机骨架材料ZIF—8结构中，经过1000 ℃下热解，得到高金属掺杂的非贵金属氧还原催化剂。电化学测试显示该催化氧还原性能的半波电位（E1/2）与与商业化的Pt/C 催化剂相比，只相差32 mV。更为重要的是上述机械化学技术，简单易行， 一个批次实验可得1.2 克，非常适合高性能氧还原催性能批量生产。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）X射线吸收谱技术获得该催化剂的结构特征，近边X射线吸收精细结构的结果显示，铁和锌分别以单原子的形式与氮配位，形成类卟啉的氧还原活性位点。而拓展边X射线吸收精细结构结果显示Fe-N4/Fe-O和Zn-N4模型存在。该催化剂铁含量为1.2 wt.%，锌含量为 1.7 wt.％，两种金属高度分散在氮硫共掺的多孔碳中。 

　　这个结果为金属-氮掺杂碳基材料的新型活性位点结构的开发、催化剂构效关系构建方面奠定了扎实的基础，并为高效的非贵金属催化剂大批量合成技术开辟了新的道路。 

　　发表文章： 

　　Sihui Liang, Renjie Chen, Peiwen Yu, Mei Ni, Qiao Zhang, Xiaoling Zhang, Wen Yang. Ionically dispersed Fe(ii)–N and Zn(ii)–N in porous carbon for acidic oxygen reduction reactions. Chemical Communications, 53(2017): 11453-11456.