第一作者：Hui Huong>

通讯作者：Xiaopeng Han

通讯单位：天津大学

研究内容：

  单原子催化剂因其独特的电子结构和最大的原子利用效率而受到广泛关注，并表现出高效的活性。在本文中，作者通过高温还原策略制备了嵌入氮掺杂碳（NC）的非金属Se单原子催化剂，并用于电催化氧还原反应（ORR）。二氧化硒在高温下被NC还原成硒，并部分锚定形成C-Se-C键。令人印象深刻的是，获得的单原子催化剂表现出优异的ORR活性和稳定性，甚至超过了最先进的贵金属催化剂和许多以前报道的纳米催化剂。实验和理论计算表明，Se单原子可以作为ORR活性位点，有助于降低反应势垒。这一发现为利用无金属单原子材料进行高效电催化提供了广阔的前景。

要点一：

作者报告了一种简单的高温还原(HTR)策略，在MOF衍生的NC框架上合成Se SACs（Se SAs@NC）（如图1所示）首先，采用一般的化学沉淀法来合成ZIF-8前体。然后，ZIF-8在高温下被煅烧，得到具有十二面体纳米结构的NC框架。随后，二氧化硒（SeO₂）在高温下被蒸发，并被NC还原。在处理过程中，形成的Se物种被捕获并锚定在NC框架表面，从而形成Se SAs@NC。

要点二：

为了研究还原温度对Se负载的影响，作者选取了3种温度(500℃、900℃和1000℃)，分别记为Se@NC-500、Se@NC-900和Se@NC-1000。其中，Se@NC-1000具有高ORR半波电位0.85 V，高电流密度5.53 mA cm^-2的长期耐久性和高放电功率密度。密度函数理论（DFT）计算表明，Se原子的引入可以作为高效的催化位点，并显著降低ORR的自由能垒。这项工作为制备非金属SAC材料提供了一种新颖、便捷和实用的策略。

图3. Se@NC-1000的 a）N 1s和b）Se 3d高分辨率光谱，c）Se K-边XANES光谱，以及d）EXAFS光谱的K³加权χ（k）函数。e)Se@NC-900和Se@NC-1000的EXAFS光谱的小波变换图。

图4.a)在0.1M KOH中，1600rpm时的ORR曲线。b）极限扩散电流(J_d)和半波电位（E_1/2）的比较图。c)Tafel图。d)Se@NC-1000的ORR曲线。插图是k-l图。e）Se@NC-1000和Pt/C的电子转移数(n)和过氧化氢生产速率（H₂O₂%）。f)Se@NC-1000在5000次循环前后的ORR曲线。插图是经过5000个CV周期后的HAADF-STEM图像。g)Se@NC-1000与多种代表性催化剂的活性比较。h）基于Se@NC-1000和Pt/C的锌空气电池的放电曲线。插图显示了LED屏幕。i）组装好的锌空气电池的功率密度图。

图5. a) Se SA@NC和吸附OOH*、O*和OH*物种后的优化结构。b) Se SA@NC的微分电荷密度。黄色和蓝色区域分别代表电子积累和耗尽。c) U=0 V时NC、Se簇和Se SAs@NC的自由能图。

参考文献：

Hu, H.;  Wang, J.;  Cui, B.;  Zheng, X.;  Lin, J.;  Deng, Y.; Han, X., Atomically Dispersed Selenium Sites on Nitrogen-Doped Carbon for Efficient Electrocatalytic Oxygen Reduction. Angewandte Chemie International Edition 2022, 61 (3), e202114441.