变形碳层协同的Co纳米颗粒和Co-N4复合活性位助力质子交换膜燃料电池学术资讯

厦门大学化学化工学院姜艳霞教授和孙世刚院士课题组在酸性介质非贵金属氧还原电催化剂研究中取得新进展，相关研究成果以“Nano-geometric deformation synergistic Co nanoparticles & Co-N4 composite site for proton exchange membrane fuel cells”为题发表于《能源环境科学》（Energy Environ. Sci., DOI: 10.1039/D1EE01715B）。

Co单原子（CoSA）催化剂具有Fenton效应较弱、活性位点Co-N4的结构稳定性好等优点，但对氧分子（O2）的解离吸附能力较弱，氧还原反应（ORR）性能低。

因此，课题组提出了一种利用软硬模板在热解过程中产生的局部应力与气相热扩散相结合的策略，构筑了一种变形CoN4与CoNP-CoN4复合活性位共存的新型催化剂，显著提高了钴单原子碳氮催化剂的ORR活性和稳定性。

在催化剂制备中，首先在ZnCo-ZIF前驱体表面包裹SiO2涂层。

由于ZnCo-ZIF比SiO2层软得多，热膨胀特性的差异使两者在热解过程中发生各向异性收缩，导致ZIF骨架结构外部产生局部应力，从而使CoN4活性位点发生原子级结构变形，形成了变形的钴单原子碳氮催化剂d-(CoSA-N-C)；然后，利用气相热扩散方法将乙酰丙酮钴升华到d-(CoSA-N-C)上，得到含有变形碳层协同的复合活性位的催化剂d-(CoNP/CoSA-N-C)该制备方法不仅能够形成CoNP-CoN4复合活性位点，也有效地增加了Co-N4活性位的总体密度。

实验和DFT计算结果均表明，CoNP-CoN4复合位点和变形碳层上的CoN4位点均能有效促进O2的解离吸附，增强氧自由基的吸附，抑制H2O2的形成，极大地减少了催化剂碳层的腐蚀，提高了催化剂的ORR活性和耐久性。

此外，由于催化剂具有丰富的介孔结构，在活性位周边形成了更多的三相边界，有效提高了O2的传质和电荷的传输效率，从而提高了PEMFC的功率密度，在2 bar条件下Pmax-H2-O2达到1.207 W cm-2。

该工作实验部分由我院2020级博士生程晓阳完成，计算部分由2011协同创新中心访问学者杨健博士完成。