金剛石薄膜材料電化學感測研究獲進展

近年來，單原子催化劑因其高的原子利用率、明確的催化活性中心和高的催化性能而成為研究前沿與熱點。但由於在製備過程中活性原子易於遷移和聚集，使得單原子催化劑的高載量可控制備仍存在巨大挑戰。如何實現高密度的單原子催化活性位點，以及如何實現其低成本宏量製備是單原子分散催化劑邁嚮應用的關鍵。金屬-氮類催化劑在燃料電池、鋅空電池、電解水等電化學能源器件中有著廣泛的應用，但其形成通常需要高溫，金屬原子更易團聚，因此製備高密度、單原子分散的金屬-氮(M-Nx)催化劑更具挑戰。

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，中科院化學研究所分子納米結構與納米技術重點實驗室胡勁松課題組致力於高性能非貴金屬電催化劑的設計、可控構築與催化機制研究。近期，他們在前期關於金屬-氮類氧還原電催化劑(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3570；ACS Catal.2015, 5, 2903；ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 11508；2017, 9, 5272；Carbon2016, 107, 162；J. Mater. Chem. A2016, 4, 7781；Chem. Commun.2018, 54, 8190；Appl. Catal. B Environ.2019, 251, 240等)和單原子分散Fe-N-C電催化劑(Chem. Commun.2018, 54, 1307)的研究基礎上，發展了一種簡便的級聯錨定新策略，實現了金屬載量可達12%的單原子分散金屬-氮催化劑的普適性宏量製備，催化劑表現出優異且穩定的電催化性能，相關工作發表於Nat. Commun.2019, 10, 1278。

為了獲得高載量的單原子分散金屬-氮位點，研究人員通過1) 使用絡合劑(如廉價葡萄糖等)與金屬離子形成絡合物在原子尺度上物理隔離金屬源；2) 採用高比表面積、表面富有含氧官能團的、兼顧高速傳質與傳荷特點的三維多孔碳載體實現了金屬絡合物在載體表面的高密度負載；3) 同時使用過量絡合劑在分子尺度上物理分隔金屬絡合物；4) 高溫熱解時含氮前體(如三聚氰胺等)原位分解生成的CNx片斷可在與絡合物分解的金屬原子形成M-Nx結構的同時，與裂解生成的碳在載體表面形成多孔碳網路，從而原位錨定M-Nx並使其暴露成為有效催化位點。

實驗中，只需將葡萄糖溶液與多孔碳載體及金屬鹽前體混合，再與三聚氰胺一起熱處理即可獲得高密度、穩定的單原子分散的M-Nx催化劑。該策略對多種金屬、載體、絡合劑普遍適用；製備過程簡單，成本低，可規模化製備；催化劑性能優異。例如，Fe-Nx催化劑鹼性氧還原半波電位可達0.90 V，在此電位下動力學質量活性可達100.7 A/g，明顯優於商業20 wt% Pt/C催化劑；Ni-Nx催化劑電催化還原CO2時在30mA/cm2的電流密度下法拉弟效率也可達89%。這一逐級錨定新策略為宏量製備高密度、高活性、高穩定性的單原子分散M-Nx類催化劑提供了一種新的普適的方法（Nat. Commun. 2019, 10, 1278）。

級聯錨定策略宏量製備高載量單原子金屬-氮催化劑

來源：中國科學院化學研究所

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