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（U_onset=-0.013 V），而Zn-吡啶-N₄对OH*的吸附适中，具有较好的活性（U_onset=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，d_xy向低能级转移，d_x2-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.