西安交大苏亚琼课题组最新AFM：构筑FeIn合金协同增强Fe-N-C单原子催化剂ORR性能

▲第一作者：孙壮志、钟毅、隋赫羽

通讯作者：苏亚琼

通讯单位：西安交通大学

论文DOI：10.1002/adfm.202410774 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

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近日，西安交通大学化学学院苏亚琼教授课题组开发了一种改性Fe-N-C催化剂（FeIn-NC），其中引入了p区金属In以形成Fe-In合金纳米团簇,FeIn-NC催化剂表现出卓越的ORR性能，在0.1 M KOH中实现了0.924 V（vs RHE）的高半波电位,且基于FeIn-NC催化剂的锌空气电池（ZAB）实现了202.1 mW cm^-2的高功率密度。密度泛函理论（DFT）计算表明Fe-In合金和FeN₄的协同效应，优化了FeN₄位点的电子结构和电荷转，微观动力学模拟（MKM）结果与实验结果具有良好的一致性，并阐明了FeN₄位点的ORR机制。这项工作提供了一种通过掺入p区金属In合成合金纳米团簇来增强Fe-N-C材料的ORR活性和耐久性的可行方法。

背景介绍

氧还原反应（ORR）是燃料电池和金属空气电池等可持续能源转换和储存装置中的关键反应。Pt基催化剂具有优异的ORR性能，但价格昂贵，限制了其应用。Fe-N-C材料因其与Pt基催化剂相当的活性而备受关注，但其FeN₄位点与含氧物质之间的结合亲和力不足，导致反应动力学缓慢，且长期耐久性不足。因此，Fe-N-C催化剂的实际性能还不能令人满意，在保持ORR过程稳定性的同时提高其活性仍然存在困难。

图文解析

TEM表明合成出具有层状结构的FeIn-NC，其中直径约为20 nm的Fe-In合金纳米颗粒被封装在碳层中。

图1 FeIn-NC的合成与形貌表征

EXAFS表征进一步说明FeIn-NC由FeN₄位点与Fe-In合金组成。

图2 FeIn-NC的结构表征

FeIn-NC表现出良好的氧还原活性，半波电位、动力学电流密度与塔菲尔斜率均优于商用Pt/C。K–L方程推导出电子转移数为4，ORR过程主要为4 e^–途径。并且在10,000次循环下半波电位几乎保持恒定，表现出优异的稳定性。

图3 FeIn-NC的ORR性能

DFT计算表明Fe-In合金与FeN₄单原子的协同作用改变了FeN₄位点的电子结构和电荷转移，调节ORR中间体的吸附和解吸，从而提高电催化ORR反应的催化活性。MKM分析与实验结果一致，进一步揭示了ORR反应机制。

图4 理论计算与微观动力学模拟

基于FeIn-NC组装的锌空电池性能优异，其功率密度、比容量与倍率性能均优于Pt/C，且在720 h的循环充放电测试中表现出良好的稳定性。

图5 锌空电池性能测试

文献信息

Zhuangzhi Sun, Yi Zhong, Heyu Sui, Jia Liu, Pengfei Xie, Shujiang Ding, Yaqiong Su*. Construction of Fe–In Alloy to Enable High Activity and Durability of Fe–N–C Catalysts. Adv. Funct. Mater. 2024, 2410774.

https://doi.org/10.1002/adfm.202410774

作者介绍

苏亚琼，1989年11月出生于河南省上蔡县。西安交通大学化学学院研究员，principal investigator (PI)，博士生导师，兼任埃因霍温理工大学客座研究员。2019年1月获埃因霍温理工大学催化专业博士学位。曾担任美国特拉华大学访问学者、埃因霍温理工大学博士后、厦门大学iChEM-2011能源材料化学协同创新中心访问学者。2020年7月，入选西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”。主要研究方向为计算能源催化/材料和界面电化学/表面增强拉曼光谱理论。主要通过第一性原理、分子动力学、以及机器学习、蒙特卡罗等算法，致力于多相催化表界面结构敏感性及活性的理论计算研究。截至目前，已在 Science (2)、Nature Catal.、Nature Comm.、JACS、Angew、Energy Environ. Sci.、Chem. Sci.、ACS Catal.、Chem. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.等学术期刊发表文章100余篇。

课题组长期招聘“多相催化理论模拟”方向的科研助理，有分子动力学模拟和机器学习经验者优先考虑。感兴趣者可与苏亚琼教授（微信：yqsu1989）直接联系。