上海光源XAFS线站用户制备出系列高效单原子氧还原电催化剂

燃料电池作为一种新型洁净能源的转换设备，因具有装置简单、体积小、携带方便、能量密度高等优势而受到广泛关注。然而，燃料电池阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢以及高Pt价格和低铂利用率，严重阻碍了其大规模应用的商业化进程。中国科学院长春应用化学研究所徐维林课题组从成本和性能的角度出发，制备了一系列高效、低成本单原子非铂和单原子铂氧还原催化剂。

该团队与中科院上海应用物理所姜政课题组以及中科院物理所谷林课题组合作，利用廉价的炭黑和锌前驱体，简易地制备了廉价的单原子锌基氧还原电催化剂，该催化剂展现出和商业碳载铂相媲美的氧还原性能，并具有很好的稳定性。高角环形暗场扫描隧道显微镜（HAADF-STEM）证实该锌基催化剂中的锌主要是以单原子锌存在，而扩展的X-射线吸收近边谱（EXAFS）证实单原子锌的主要存在方式为Zn-N₄。进一步的理论计算表明该单原子锌催化剂的高催化活性主要来源于Zn-N₄结构。反应机理研究发现Zn-N₄位点上O原子中间体的吸附是该反应的决速步骤 (图1)。

同时，该团队与中科院长春应化所王颖副研究员、中科院上海应用物理所姜政研究员以及大连化物所孙公权研究员合作，详细报道了一种廉价炭黑负载的高性能(高活性、高稳定性及抗毒化能力)的单原子Pt电催化剂。以该催化剂作为阴极的酸性单电池能量密度高达680 mW cm-2，相当于Pt在燃料电池中的利用率为0.13 gPt kW-1，这也是目前文献中报道的燃料电池中最高的铂利用率。通过实验和理论计算相结合，该工作还进一步揭示其超高性能主要来源于碳载体上吡啶氮锚定的单原子铂（Pt₁-N₁）位点，该位点的电催化特性能很好地解释催化剂的高活性、高稳定性和高的抗（CO/甲醇）毒化能力（图2）。

　　图2. 单原子Pt基氧还原电催化剂的形貌、电池性能以及机理预测 

以上关于高效单原子锌和单原子铂氧还原电催化剂的系列工作为目前制备廉价高效燃料电池阴极电催化剂提供了一个全新的研究思路，相关成果相继发表在《先进功能材料》和《自然通讯》上（Adv.Funct. Mater. 2017, 27, DOI: 10.1002/adfm.201700802; Nat.Commun. 2017, 8, DOI: 10.1038/ncomms15938）。