新型单原子分散铁基催化剂的合成

　　下一代能量转换和存储装置的发展，如燃料电池和金属空气电池，严重依赖于电催化剂的氧还原反应(ORR)。铁/氮掺杂碳(Fe/NC)催化剂近年来已成为有希望替代贵金属的有希望的新一代催化材料。对铁基催化剂结构参数的精确控制，以及对ORR机制的透彻理解，有望进一步优化其催化效率。单原子材料具有原子利用率高、活性位点均一可控等特点，因此，构筑结构可控的、单原子分散的以均匀分布的单原子点为基础设计Fe-基电催化剂是提高催化效率和理解催化机理的一种理想策略。相关工作发表在Advanced Materials上。 

　　利用热解吡咯-噻吩共聚物的策略，实现了在氮和硫共掺杂的碳载体上，单原子分散的铁基催化剂的合成。该合成策略主要由以下三步组成：首先是合成吡咯和噻吩的共聚物 (PPy-co-PTh)，然后将其浸入乙酰丙酮铁盐溶液搅拌过夜，以吸收Fe前驱体。样品离心烘干后，最终将其置于900℃的Ar气氛中热解，负载乙酰丙酮铁的聚合物被高温碳化，转化为负载Fe单原子的氮和硫共掺杂的多孔碳催化剂 (Fe-ISA/SNC)。通过高分辨电镜和球差矫正电镜的表征显示，材料表面Fe、N、S等元素均匀分布，且Fe以单原子形式分布在材料表面。 

　　通过北京同步辐射装置（BSRF）获得的XAFS数据进一步分析了Fe-ISA/SNC中Fe原子的局域结构参数。拟合曲线表明，Fe原子在Fe-ISA/SNC中由4个N原子配位，但4个Fe-N键劈裂为两组Fe-N键长。同时，通过对S K-edge XANES谱可以分析样品中S的价态，并进一步猜测得到S与比起电负性更高的原子配位成键导致正价的出现。于此相反的是，没有硫掺杂的样品仅显示一组Fe-N键长，这可能是硫原子的掺杂影响了配位的Fe和N原子，导致Fe-N键长的偏差。随后通过DFT计算的结果，该设想得到了进一步的证实和优化，并最终提出了FeN₄S₂活性中心结构的猜想。 

　　该催化剂在0.1M KOH溶液中展现出良好的电化学氧还原活性和选择性。通过对比实验，我们发现，N, S共掺杂样品比纯N掺杂样品具有更高的半波电位，这意味着硫的掺杂有助于提高催化剂的活性。同时，催化剂也展现出了良好的稳定性和氧还原反应的选择性。该研究为制备原子级分散非贵金属电化学氧还原催化剂提供了新的思路。 

　　发表文章： 

　　Q. H. Li, Dr. W. X. Chen, Prof. H. Xiao, Dr. Z. Li, W.-C. Cheong, R. A. Shen, N. H. Fu, Prof. C. Chen, Prof. D. S. Wang, Fe Isolated Single Atoms on S, N Codoped Carbon by Copolymer Pyrolysis Strategy for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction, Adv. Mater., 2018, 1800588.