因此，開發(fā)低成本且高性能的ORR電催化劑對于ZABs的實際應(yīng)用是十分迫切的。其中，F(xiàn)e單原子以Fe-Nx的形式分散在各種多孔N摻雜碳上(簡稱為Fe1-N-C)后產(chǎn)生了前所未有的ORR活性。基于Fe1-N-C優(yōu)異的性能，哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)徐成彥等人通過合理的策略制備了由Fe1-N-C空心微球組成的超薄納米片(Fe1/N-HCMs)，本文也利用催化劑這一特殊的結(jié)構(gòu)達到了令人滿意的性能。本文以商業(yè)Pt/C和N-HCMs作為基準(zhǔn)，在O2飽和的0.1 M KOH溶液中測試了Fe1/N-HCMs的ORR性能。本文主要研究了實驗參數(shù)對催化劑ORR活性的影響，包括煅燒溫度和鐵含量。本文首先通過旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)獲得了催化劑的極化曲線。根據(jù)極化曲線可以發(fā)現(xiàn)，煅燒溫度的升高會促進碳基體的石墨化，從而提高電導(dǎo)率，同時由于缺陷密度的下降，活性位點的暴露會減少。綜合這些因素后，在800 ℃獲得的Fe含量為1.5 wt%的Fe1/N-HCMs具有最好的ORR活性，其半波電位(E1/2)為0.88 V，極限電流密度(JL)為6.0 mA cm-2，均超過了商業(yè)Pt/C(E1/2=0.86 V，JL=5.2 mA cm-2)和N-HCMs(E1/2=0.74 V，JL=4.7 mA cm-2)。此外，F(xiàn)e1/N-HCMs的K-L圖在不同的電位下還表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，并且通過K-L圖計算出催化劑的平均電子轉(zhuǎn)移數(shù)(n)非常接近4.0，這也說明Fe1/N-HCMs催化劑在堿性條件下通過典型的四電子途徑還原O2分子。更重要的是，本文的旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)測試表明，F(xiàn)e1/N-HCMs催化劑在電化學(xué)測試中的過氧化物產(chǎn)率均小于2%，甚至低于Pt/C催化劑，這是十分令人驚喜的。Fe1/N-HCMs不僅具有優(yōu)異的半波電位等性能還表現(xiàn)出令人滿意的穩(wěn)定性，在24小時的連續(xù)計時安培測試后，其電流密度僅衰減1.5%，同時Fe1/N-HCMs還表現(xiàn)出令人印象深刻的耐甲醇特性，遠優(yōu)于商業(yè)Pt/C，以上結(jié)果有力地證明了本文制備策略的合理性和正確性。結(jié)合多種測試手段，本文可以總結(jié)出Fe1/N-HCMs優(yōu)異的ORR性能主要歸因于：1)具有高度開放的分層中空結(jié)構(gòu)的納米片可以顯著增加活性位點的數(shù)量，并為電子/電解質(zhì)/氧傳輸提供通道；2)2 nm厚的碳納米片可以保證大部分鐵單原子分布在碳骨架表面，這也就意味著在ORR過程中幾乎所有的活性位點都得到了充分利用；3)Fe-N4O1構(gòu)型中的Fe-O鍵可以誘導(dǎo)Fe-N4原子的軸向電荷的再分布，從而降低中間體的反應(yīng)能壘，加速ORR的動力學(xué)。因此，獨特的活性Fe-N4O1和結(jié)構(gòu)優(yōu)點使Fe1/N-HCMs具有優(yōu)異的ORR性能，優(yōu)于大多數(shù)由聚多巴胺衍生的M-N-C催化劑。本工作也再次強調(diào)了設(shè)計高度開放的多孔氮摻雜碳骨架是進一步提高金屬-氮-碳催化劑電催化性能的有效途徑。Self-Sacrificing Template Synthesis of Carbon Nanosheets Assembled Hollow Spheres with Abundant Active Fe–N4O1?Moieties for Electrocatalytic Oxygen Reduction,?Small,?2023, DOI: 10.1002/smll.202207991.https://doi.org/10.1002/smll.202207991.
