姜艳霞等：变形碳层协同的Co纳米颗粒和Co-N4复合活性位助力质子交换膜燃料电池

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近日，我院姜艳霞教授和孙世刚院士课题组在酸性介质非贵金属氧还原电催化剂研究中取得新进展，相关研究成果以“Nano-geometric deformation synergistic Co nanoparticles & Co-N4 composite site for proton exchange membrane fuel cells”为题发表于《能源环境科学》(Energy Environ. Sci, DOI: 10.1039/D1EE01715B)。
       Co单原子(CoSA)催化剂具有Fenton效应较弱、活性位点Co-N4的结构稳定性好等优点，但对氧分子（O2）的解离吸附能力较弱，氧还原反应(ORR)性能低。因此，课题组提出了一种利用软硬模板在热解过程中产生的局部应力与气相热扩散相结合的策略，构筑了一种变形CoN4与CoNP-CoN4复合活性位共存的新型催化剂，显著提高了钴单原子碳氮催化剂的ORR活性和稳定性。

       在催化剂制备中，首先在ZnCo-ZIF前驱体表面包裹SiO2涂层。由于ZnCo-ZIF比SiO2层软得多，热膨胀特性的差异使两者在热解过程中发生各向异性收缩，导致ZIF骨架结构外部产生局部应力，从而使CoN4活性位点发生原子级结构变形，形成了变形的钴单原子碳氮催化剂d-(CoSA-N-C)；然后，利用气相热扩散方法将乙酰丙酮钴升华到d-(CoSA-N-C)上，得到含有变形碳层协同的复合活性位的催化剂d-(CoNP/CoSA-N-C)该制备方法不仅能够形成CoNP-CoN4复合活性位点，也有效地增加了Co-N4活性位的总体密度。实验和DFT计算结果均表明，CoNP-CoN4复合位点和变形碳层上的CoN4位点均能有效促进O2的解离吸附，增强氧自由基的吸附，抑制H2O2的形成，极大地减少了催化剂碳层的腐蚀，提高了催化剂的ORR活性和耐久性。此外，由于催化剂具有丰富的介孔结构，在活性位周边形成了更多的三相边界，有效提高了O2的传质和电荷的传输效率，从而提高了PEMFC的功率密度，在2 bar条件下Pmax-H2-O2达到1.207 W cm-2。
       该工作实验部分由我院2020级博士生程晓阳完成，计算部分由2011协同创新中心访问学者杨健博士完成。研究工作得到国家重点研发计划项目（项目编号：2017YFA0206500）和国家自然科学基金（项目编号：21773198、U1705253）的资助。
       论文链接：https://doi.org/10.1039/D1EE01715B


       文章来源：厦门大学
       孙世刚，厦门大学教授，1982年初毕业于厦门大学化学系（77级），1986年9月年获巴黎居里大学授予法国国家博士学位。在法国科研中心界面电化学研究所做一年博士后，1987年底回国工作。现为厦门大学化学系教授、固体表面物理化学国家重点实验室研究员，博士生导师。长期从事电催化、谱学电化学和能源电化学等方面的研究。主持完成1995年度国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、和国家“973”计划课题等重要科研项目。目前担任国家自然科学基金委“界面电化学”创新研究群体学术带头人、主持国家重大科研仪器设备研制专项“基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置”。
       姜艳霞，女，汉族，1964年5月20日生，吉林省长春市人。1999年夏毕业于吉林大学化学系，获理学博士学位。现任厦门大学化学化工学院教授，博士生导师，电化学科学与工程研究所副所长。主要从事纳米尺度电催化材料的制备、表征、特殊红外光学性能及电催化应用研究。2000年7月至12月在日本北海道大学触媒化学研究中心做COE访问研究员，从事电化学原位红外光谱研究；2010年7月至12月在加拿大圭尔夫大学做访问教授，从事电化学偏振红外光谱研究。自1987年大学本科毕业以来，主要在电分析化学、表面电化学、电催化、谱学电化学（原位红外光谱研究）和纳米电化学等方面开展教学和科研工作，侧重固/液界面环境中电化学原位红外光谱的研究。