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韩磊&王双印&李丽娜Angew.:“双剑合璧”!团簇+单原子增强ORR!

 崛步化学 2022-11-25 发布于北京

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研究内容


氧还原反应(ORR)在许多可再生能源转换和储存系统中显示出了重要意义,例如,金属空气电池和燃料电池。高效ORR电催化剂的开发是金属空气电池和燃料电池的关键挑战,因为它涉及多电子/质子转移,并且是一个动力学缓慢的电极过程。原子簇调控单原子金属位点的电子分布是提高其氧还原反应(ORR)内在活性的有效策略。

湖南大学韩磊教授、王双印教授和中国科学院上海应用物理研究所李丽娜研究员报告了通过后吸附和二次热解的创新组合来构建用原子簇修饰的单原子Mn位点(Mn SACs)。该催化剂具有原子分散的Mn-N4位点和FeMn原子簇的Mn SACs。结果显示,所得FeMnac/Mn-N4C电催化剂显示出诱人的ORR活性和显著的耐久性。相关工作以“Decorating Single-Atomic Mn Sites with FeMn Clusters to Boost Oxygen Reduction Reaction”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点


要点1. 作者首次通过低温热解Mn掺杂的Cd-p-苯二胺配合物(CdMn-PPD)制备了锚定在富缺陷氮掺杂碳(Mn-DNC)上的孤立Mn原子。随后,通过Fe3+离子的物理吸附和二次热解,制备了原子分散的Mn-N4位点和FeMn原子簇共存的催化材料(FeMnac/MnN4C)。

要点2. X射线吸收近边缘光谱和扩展的X射线吸收精细结构光谱证实了与FeMn原子团簇结合的Mn-N4配位位点的形成。这在理论上被证明有利于分子O2的吸附和ORR过程中O-O键的断裂。

要点3. 得益于独特的配位环境和单原子Mn位点与FeMn原子簇之间的强电子相互作用,FeMnac/Mn-N4C催化剂表现出优异的ORR活性和显著的耐久性,在0.5 M H2SO4中的半波电位为0.79 V,在0.1 M KOH中的半波电位为0.90 V,以及优异的锌-空气电池性能。

这种合成策略可以为构建具有可调原子结构的高活性催化剂开辟一条道路,用于各种应用。

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研究图文


图1. 合成和结构表征。
图2. 在酸性和碱性溶液中的电化学ORR性能。
图3. DFT计算。
图4. 组装锌空气电池的性能。

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文献详情


Decorating Single-Atomic Mn Sites with FeMn Clusters to Boost Oxygen Reduction Reaction
Heng Liu, Luozhen Jiang, Javid Khan, Xinxin Wang, Jiamin Xiao, Handong Zhang, Haijiao Xie, Lina Li,* Shuangyin Wang,* Lei Han*
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: 10.1002/anie.202214988

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作者简介



韩磊,湖南大学教授,博士生导师,2015年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所,师从著名电化学专家董绍俊研究员(第三世界院士)。博士毕业后,分别在新加坡南洋理工大学、加拿大滑铁卢大学和德国柏林自由大学从事博士后研究工作,主要从事新能源材料、能源存储与转化,包括电催化、半导体光电催化、太阳能燃料绿色合成、新型太阳能转换储存器件等研究工作。近年来,在国内外重要期刊上发表论文60余篇,其中以第一作者/共同一作/通讯作者在Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Catal., Small Methods等国际权威期刊发表论文29篇,其中6篇入选“ESI”高被引论文,他引5000余次,H指数33。


李丽娜,1979年生,中国科学院上海高等研究院研究员,上海光源用户辅助实验系统负责人,博士生导师。2001~2007年在华东师范大学攻读硕、博士学位,2007~2010年先后在同济大学、德国斯图加特大学从事博士后研究工作,2010年5月起任职于上海同步辐射光源,从事XAFS方法的实验设计及数据解析。主要研究方向为同步辐射方法在能源、化学、环境领域的应用。迄今为止在Analytical Chemistry、Water Research、Sensors and Actuators B、Environmental Pollution、Journal of Materials Chemistry C等期刊上发表论文多篇,出版了一本《上海市水环境中重金属类污染物的健康风险评价》的专著。


王双印,湖南大学二级教授,博士生导师。国家高层次人才入选者、科睿唯安全球高被引科学家(化学、材料), 爱思唯尔中国高被引学者(化学)。现为湖南大学二级教授,博士生导师。2006年本科毕业于浙江大学化工系,2010年在新加坡南洋理工大学获得博士学位,随后在美国凯斯西储大学, 德克萨斯大学奥斯汀分校、英国曼彻斯特大学(玛丽居里学者)开展研究工作。主要研究方向为电催化剂缺陷化学,有机分子电催化转化,燃料电池。
代表性论文发表在国家科学评论中国科学化学材料,科学通报,JEC, Nature Chem., Nature Catalysis, JACS, Angew. Chem., Adv. Mater., Chem等期刊,总引用22000余次,H指数81,获教育部青年科学奖、湖南省自然科学奖一等奖(第一完成人)、中国侨届贡献一等奖。

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