JMCA：干凝胶法合成边缘型铁钴原子对位点用于高效双功能氧电催化

化石燃料的大量消耗和污染物的排放导致了全球气候变化和环境恶化，这引起了人们对清洁和可持续能源供应探索的极大关注。在过去的几十年里，人们一直致力于开发先进的储能系统，其中可充电锌空气电池（ZABs）因其理论能量密度高、危害小等独特优点被认为是一种很有前途的储能设备。

在可充电ZAB系统中，氧还原反应和析氧反应（ORR/OER）在决定ZAB性能方面起着关键作用。贵金属金属是ZAB中最常用的催化剂，如Pt基催化剂用于ORR, Ir/Ru基催化剂用于OER，但其成本高、储量少、稳定性差等问题严重阻碍了其商业化的应用。

在此，江苏大学张建明，张龙和加拿大国家科学研究院孙书会（共同通讯）等人展示了一种简便的原位干凝胶（ISG）辅助方法来制备具有优异ORR和OER性能的边缘型Fe-Co原子对的双功能单原子（SACs）催化剂（ISG Fe,Co-NC）。

ISG Fe,Co-NC SAC在0.1 V时（相对于RHE）的半波电位（E_1/2）值为0.865 V，扩散限制电流密度（J_lim）约为5.09 mA cm^-2，与Pt/C催化剂（E_1/2: 0.851 V, J_lim: 4.83 mA cm^-2）和ESG（非原位）Fe,Co-NC催化剂（E_1/2: 0.798 V, J_lim: 4.50 mA cm^-2）相比，表现出更好的催化性能。

同时，ISG Fe,Co-NC的Tafel斜率为66.7 mV dec^-1，小于Pt/C (83.2 mV dec^-1)和ESG Fe,Co-NC (84.3 mV dec^-1)。这些结果表明，ISG Fe,Co-NC更有利于ORR动力学，这很可能是因为其独特的相互连接的中孔碳网络。

通过测试催化剂在0.1 M KOH电解质中的OER性能来评估其双功能特性，ISG Fe,Co-NC催化剂达到10 mA cm^-2电流密度所需的过电位为383 mV，低于其他催化剂。

另一个重要的性质是，ISG Fe,Co-NC的Tafel斜率为66.8 mV dec^-1，低于IrO₂ (69.5 mV dec^-1)和ESG Fe,Co-NC (69.1 mV dec^-1)，表明OER催化动力学更快。ORR/OER的双功能电催化活性可以通过从达到10 mA cm^-2时获得的OER电位和ORR半波电位之间的差计算氧电极活性（ΔE）来评估。

ISG Fe,Co-NC的ΔE为0.748 V，优于Pt/C-IrO₂ (ΔE = 0.776 V)和许多参考催化剂。由ISG Fe,Co-NC组装的ZAB的开路电压（1.51 V）优于Pt/C + IrO₂（1.46 V）组装的ZAB。

随后，通过将两个自制ZAB串联起来，可以为LED（1.5-5 v）面板灯供电一周以上，表明了其商业潜力。

使用阴极ISG Fe,Co-NC催化剂，ZAB在10 mA cm^-2和20 mA cm^-2时的比容量分别为785.4 mAh g^-1和683.5 mAh g^-1，两者都优于Pt/C + IrO₂在10 mA cm^-2时的比容量为729.9 mAh g^-1以及在20 mA cm^-2时的比容量为588.4 mAh g^-1。

实验工作和密度泛函理论（DFT）计算分析表明，ISG Fe,Co-NC催化剂在碱性介质中具有良好的活性。

首先，双金属位点催化剂优异的双功能性归因于其微观结构的独特性。层次化的边缘型位点和合理的孔隙率有利于物质的传递和暴露更多的活性位点，特别是作为可充电ZABs的一种优秀的双功能催化剂。

其次，这种边缘型的FeCoN₆双原子对作为活性位点的主导配位模型，被认为是改变电子结构的关键，从而显著降低OER/ORR势垒。这项工作为制备高活性SAC设计提供了一种简单的方法，并深入了解了催化活性位点的化学环境。

Kinetically favorable edge-type iron-cobalt atomic pair sites synthesized via a silica xerogel approach for efficient bifunctional oxygen electrocatalysis, Journal of Materials Chemistry A, 2022, DOI: 10.1039/d2ta08257h.

https://doi.org/10.1039/D2TA08257H.