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北化工曹达鹏Angew.:原子分散ZnNC催化剂助力氢燃料电池
为实现燃料电池的实际应用,开发高效、耐用的无铂(Pt)催化剂至关重要。基于此,北京化工大学曹达鹏教授(通讯作者)等人报道了一种具有Zn-吡咯-N4基团和丰富介孔结构的原子分散ZnNC催化剂。
基于ZnNC的阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)在H2-O2和H2-空气(无CO2)中表现出1.63和0.83 W cm-2的超高峰值功率密度,并且在H2-空气(不含CO2)和H2-O2中表现出分别超过120和100 h的长期稳定性。
本文通过DFT计算,以研究ZnNC催化剂可能的催化机理。在文中,包含Zn-吡啶-N4和Zn-吡咯-N4两种模型。对于这两种模型ORR的自由能图,其中速率决定步骤,即最后一步(OH*→H2O)决定了它们的ORR性能。
Zn-吡咯-N4对OH*的吸附过多,导致其不活跃(Uonset=-0.013 V),而Zn-吡啶-N4对OH*的吸附适中,具有较好的活性(Uonset=0.575 V)。因此,合成的ZnNC应具有Zn-吡咯-N4基团,而不是Zn-吡啶-N4基团,因为Zn-吡咯-N4模型具有较高的ORR活性。
XAFS拟合分析表明,ZIF-8-ZnNC中的Zn原子与4个N原子配位。上述分析表明,Zn-MOF衍生催化剂更容易形成无活性的Zn-吡啶-N4基团。
两种模型的部分态密度(PDOS)图表明,其中Zn-吡咯-N4模型的Zn-轨道分裂较少,更接近于离子形式。
而Zn-吡啶-N4则相反,对比Zn-吡咯-N4相比,dxy向低能级转移,dx2-y2向高能级转移,使得轨道更加发散,导致其吸附能力极强。
Atomically Dispersed Zn-Pyrrolic-N4 Cathode Catalysts for Hydrogen Fuel Cells. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202216041.
https://doi.org/10.1002/anie.202216041.
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