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北大李彦教授团队《ACS Nano》: P掺杂助力Fe-N-C催化剂实现双功能氧电催化

时间：2022-09-29 来源：浏览：

北大李彦教授团队《ACS Nano》: P掺杂助力Fe-N-C催化剂实现双功能氧电催化

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收录于合集

#P掺杂 1 个

#Fe-N-C催化剂 2 个

#双功能氧电催化 1 个

#锌空气电池 5 个

#OER 4 个

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氮掺杂碳负载过渡金属原子所形成的单位点 M - N - C 催化剂是近年来发展的一类高效氧电催化剂，被认为有可能取代贵金属用于可再生能源转换系统如水分解、燃料电池和金属空气电池等。其中， Fe-N-C 催化剂因其具有类铂基催化剂的氧还原反应（ ORR ）活性而引起了人们的广泛关注。然而， Fe-N-C 催化剂的氧析出反应（ OER ）活性与稳定性差，限制了其在可充电金属空气电池中的性能表现。

近日，北京大学李彦教授课题组在《 ACS Nano 》期刊上发表了题为 “ Doping Effect on Mesoporous Carbon-Supported Single-Site Bifunctional Catalyst for Zinc–Air Batteries ” 的文章（ DOI : 10.1021/acsnano.2c03565 ）。该文章设计了三种单位点 Fe-N-C 催化剂，并通过电镜表征、电化学研究、光谱测量 ( 包括 XPS 、 XANES 、 EXAFS 和 Raman) 、 DFT 计算以及与 TCNQ 的探针反应系统研究了 P 掺杂对单位点 Fe-N-C 催化剂的 ORR 和 OER 活性的影响。优化的 P 掺杂 Fe-N-C 催化剂表现出优异的双功能氧电催化活性及锌空气电池性能。

要点 1

作者总结 P 掺杂主要有四个作用： i) 增加碳基质中活性吡啶 -N 的含量，增加 ORR 的活性位点； ii) 在碳基质中引入 P-N/C/O 位点，增加 OER 活性位点； iii) 调节 Fe 中心的电子密度，提高 Fe- N ₄ 位点的本征 ORR 和 OER 活性； iv) 提高 Fe-N-C 催化剂的电子转移能力。

要点 2

碳基质上的分级介孔结构有利于增加反应活性面积，与碳纳米管的复合则进一步加快了电子转移效率。

图 1 ： P 掺杂 Fe - N - C 催化剂的合成过程及形貌表征

表 1 ：三种 Fe-N-C 催化剂的杂原子掺杂情况及其比表面积

图 2 . 三种Fe - N - C催化剂的氧电催化性能

图 3 . Fe - N - C 催化剂的组成和结构分析

图 4. P 掺杂对 Fe-N-C 催化剂的电子调节作用

图 5. 基于催化剂 Fe-1 组装的液态和固态锌空气电池性能

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c03565

作者简介

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李彦教授课题组主要从事碳纳米管的制备、修饰、表征和应用的研究。发展碳纳米管的可控制备方法，通过化学修饰和复合对碳纳米管进行进一步的性能调控，同时发展相应的表征技术以满足可控制备和修饰研究的需求，并探索基于碳纳米管的材料在纳电子、能源及生物医学等方面的应用。欢迎化学、物理、材料背景的大学生报考北大化学学院及前沿交叉科学研究院的研究生，加入李彦教授课题组。同时，李彦教授课题组长期招聘博士后研究人员。

课题组主页： http://nmns.pku.edu.cn/

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