徐强教授Angew (VIP): “廊腰缦回，檐牙高啄“ 利用MOF合成飞檐状碳笼负载单原子金属催化...

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材料合成、表征

首先以锌盐, 有机配体和铁源前体为原料，在室温条件下反应生成形貌均一的Fe/ZIF-8纳米多面体，然后再经过可控的湿化学方法制备了Fe/ZIF-8@SiO _x 核壳结构。直接碳化上述前驱体, 并去除硅层后会得到单原子铁负载的飞檐状的碳笼材料。有趣的是, 如果没有进行硅层包覆这一过程, 最后合成的单原子铁负载的碳材料还是保持原来的MOF多面体形貌。电镜表征证实了其合成的飞檐状结构形貌。氮气吸附实验，表明合成的飞檐状材料具有巨大的比表面积和丰富的孔径分布。这些方面的长处得益于其飞檐状的形貌优势。实验表明该方法简单有效, 是一种普适方法, 既能实现形貌的调控, 又能通过金属源的加入, 产生高效均匀分散的单原子金属催化活性位点, 将可观性, 功能性与艺术性完美统一 (图1)。

▲图1. 单原子铁负载的飞檐状碳笼结构的合成以及部分物理表征

▲图2. 飞檐状碳笼结构的单原子金属位点表征

催化剂用SEM, XPS, XRD, ICP, Raman等做了表征，见文中详细介绍。图2 为该材料的单原子金属位点表征。XAFS和球差电镜表征证实了该催化剂负载了大量的单原子FeN ₄ 催化活性位点。EDX mapping表明, 其生成的单原子铁催化活性位点分散均匀。由此我们可以得知, 该催化剂在其宏观结构上为飞檐状结构形貌, 而在其微观上表面分布着大量的ORR-active 单原子铁催化活性位点, 该位点能有效降低催化反应进程中的活化能垒，提升催化效率，这一点在文中被实验和DFT理论计算所证实。以上这些优势最终使得该飞檐状碳笼材料无论在碱性条件下还是酸性条件下都显现出优异的ORR催化活性和稳定性 (图3所示)。

▲图3. 单原子铁负载的飞檐状碳笼结构的电化学催化氧气还原性能

最后, 作者研究了此种单原子铁负载的飞檐状碳笼材料的ORR催化性能和锌-空电池性能。实验结构表明，相对于其他同等条件下制备的碳纳米催化剂，由单原子铁负载的飞檐状碳笼材料，具有更高的ORR催化活性和更好的运行稳定性，并基于此组装成锌-空电池后，表现出优异的电池放电和长时间多次可充性能 (图4) 。

▲图4. 单原子铁负载的飞檐状碳笼结构的锌空电池性能

结论与展望

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