中心楊喜昆課題組研究成果在國(guó)際頂級(jí)期刊《Applied Catalysis B: Environmental》上發(fā)表
近日，中心楊喜昆課題組在非貴金屬燃料電池催化劑制備及機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Clarifying thecritical roles of iron in boosting oxygen reduction: Single Fe atoms anchoredon carbon vacancies as efficient active sites”為題，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《AppliedCatalysis B: Environmental》上（影響因子：24.319）。昆明理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院教師、材料科學(xué)與工程學(xué)院博士譚豐為論文第一作者，分析測(cè)試中心楊喜昆教授級(jí)高工為論文通訊作者，昆明理工大學(xué)為唯一第一作者和通訊作者單位。
圖1. 在Fe-N-C催化劑表面構(gòu)建ORR催化活性位
論文針對(duì)當(dāng)前熱解的燃料電池過(guò)渡金屬(M)-氮(N)-碳(C)催化劑活性位結(jié)構(gòu)存在爭(zhēng)議等問(wèn)題開(kāi)展研究。通過(guò)分子設(shè)計(jì)制備出Fe單原子分散在碳微球表面的NHMs@Fe高性能電催化劑（見(jiàn)圖1）。運(yùn)用原子分辨率的球差校正掃描透射電鏡(Aberration-CorrectedSTEM)對(duì)碳球邊緣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征（見(jiàn)圖2）。特別是運(yùn)用同步輻射光電發(fā)射譜(SRPES)、飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)、俄歇電子能譜(AES)及光電子能譜(XPS)等表面分析手段研究了催化劑表面從頂層→亞納米層→納米層的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)單個(gè)Fe原子均勻分散在碳微球表面，并證明Fe與N沒(méi)有形成Fe-Nx結(jié)構(gòu)。
圖2. 單個(gè)的Fe原子分散在催化劑微球表面的AC-STEM圖像
更重要的是，運(yùn)用先進(jìn)的表面分析手段研究了熱解過(guò)程中前驅(qū)體成分和結(jié)構(gòu)的演化，發(fā)現(xiàn)高溫下N原子的移除導(dǎo)致催化劑產(chǎn)生微孔和表面缺陷，進(jìn)而提出高溫碳熱還原出來(lái)的Fe原子被相鄰N原子移除所產(chǎn)生的空位錨定形成ORR活性的新機(jī)制。該項(xiàng)工作通過(guò)建立表面結(jié)構(gòu)明確的前驅(qū)體來(lái)澄清Fe-N-C催化劑活性位結(jié)構(gòu)的爭(zhēng)議并揭示形成機(jī)制，將為理性設(shè)計(jì)和調(diào)控活性位結(jié)構(gòu)制備出高性能M-N-C催化劑提供了理論指導(dǎo)。
論文Aberration-CorrectedSTEM、SRPES、XAFS及ToF-SIMS表征得到中科院沈陽(yáng)金屬所、中科院合肥光源、中科院上海光源及清華大學(xué)分析中心的支持，顯微分析由分析中心周烈興博士完成，理論計(jì)算得到我校分析測(cè)試中心閔春剛教授和材料科學(xué)與工程學(xué)院王勁松博士大力支持和幫助。該工作還得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51374117)、國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)基金(21363012和11764026)等項(xiàng)目支持。