第一作者：Lvhan Liang

通讯作者：何大平, 木士春

通讯单位：武汉理工大学

研究内容：

到目前为止，开发经济、稳定、高活性的氧还原反应(ORR)和析氢反应(HER)双功能铂催化剂已成为燃料电池和再生燃料电池系统的需要。然而，如何将铂纳米颗粒均匀分散并牢固地固定在碳载体上，使其具有最佳的催化粒径，仍然是一个巨大的挑战。本文利用钴(Co)单原子对Pt的隔离作用、Co单原子与Pt的强相互作用以及多孔碳基质衍生金属有机骨架的限制，成功地将Pt纳米颗粒均匀固定在ZnCo-ZIF制备的富钴单原子多孔掺氮碳基质(Co SAS-ZIF-NC)上。与商用Pt/C催化剂相比，Pt@Co SAS-ZIF-NC具有超低的铂负载量和理想的粒径，不仅增加了活性中心，而且促进了催化动力学，大大提高了催化剂的比表面积和催化活性。

要点一：

on style="white-space: normal; text-indent: 2em;">提出了在多孔氮掺杂碳中Co单原子位分离和锚定Pt NPs，限制Pt NPs的生长。因此，从双金属zif (ZnCo-ZIF)中得到的Co单原子碳基材料(Co SAs-ZIF-NC)可以作为Pt NPs的载体。得益于多孔结构和钴原子位点的隔离-锚定效应，具有理想粒径的Pt NPs被固定在n掺杂碳材料(Pt@Co SAs-ZIF-NC)上。从Pt NPs和Co ZIF-NC催化体系的协同效应来看，Pt@Co SAs-ZIF-NC在酸性和海水条件下表现出优异的ORR和HER性能。

要点二：

要点三：

图1. (a) Pt@Co SAs-ZIF-NC， (b) Pt@ZIF-NC， (c) Pt@Co ZIF-NC的HRTEM图像。(d) Pt@Co SAs-ZIF-NC HRTEM图像放大。(e) Pt@Co SAs-ZIF-NC的HAADF-STEM图像，对应的FFT为橙色框所示区域，放大的区域为黄色框所示区域，黄色圆圈钴单原子。Pt@Co SAs-ZIF-NC的(f-j) EDX元素图:Co(绿色)、Pt(红色)、N(蓝色)和C(黄色)。

图2. (a)XRD图谱。 (b)Pt@Co SAS-ZIF-NC和Pt/C的Pt 4f的XPS谱； (c)Pt@Co SAS-ZIF-NC的Co 2p图谱。 (d)Pt@Co ZIF-NC的Co 2p图谱。(E)Pt@Co SAS-ZIF-NC的N 1s图谱。(F)Pt@Co ZIF-NC的N 1s 图谱。

图3. (a)在N₂饱和的0.1M HClO₄溶液中记录的CV曲线。 (b)Pt@Co SAS-ZIF-NC、Pt@Co ZIF-NC、Pt@ZIFNC、Pt/C和Co SAS-ZIF-NC的ORR极化曲线和Tafel斜率。 (d)Pt@Co SAS-ZIF-NC和Pt/C在0.85和0.9V下的质量活度和(e)比活度。(f)Pt@Co SAS-ZIF-NC和商用Pt/C(插图)5000次循环前后的ORR极化曲线。

图4. (a)在0.5M H₂SO₄电解液中，以5 mV s⁻¹的扫描速率测得Pt@Co SAS-ZIF-NC、Pt@Co ZIF-NC、Pt@ZIF-NC和Pt/C的极化曲线。(b)相应的过电位(j=10/50 mA·cm^-2)。 (c)塔菲尔斜率。 (d)在0.01-10⁵赫兹频率范围内收集的电化学阻抗谱(EIS)。 (e)电极负载铂归一化的LSV曲线。 (f)Pt@Co、SAS-ZIF-NC和Pt/C在20 mV和30 mV的质量活度。 (g)Pt@Co、SAS-ZIF-NC和Pt/C(插图)5000次循环前后的极化曲线。 (h)电极载铂归一化海水中的LSV曲线。 (i)Pt@Co、SAS-ZIF-NC和Pt/C在海水中300 mV和400 mV的质量活度。

参考文献

Liang, L.;  Jin, H.;  Zhou, H.;  Liu, B.;  Hu, C.;  Chen, D.;  Wang, Z.;  Hu, Z.;  Zhao, Y.;  Li, H.-W.;  He, D.; Mu, S., Cobalt single atom site isolated Pt nanoparticles for efficient ORR and HER in acid media. Nano Energy 2021, DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106221.