北科納米提供MXene材料（可定制）

研究摘要

探索功能化基底并對原子級金屬活性顆粒自旋狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控具有重要的研究價值，目前仍然是一項間距調(diào)整。鑒于此，中日友好醫(yī)院Xin Jiang教授、北京理工大學(xué)楊文秀特別研究員與王博教授研究團(tuán)隊在《Angew. Chem. Int. Ed.》發(fā)表最新研究成果，報道了一種軸向的Fe-O-Ti配體調(diào)控自旋態(tài)的策略，以改善Fe中心的氧還原反應(yīng)活性。理論計算證明，F(xiàn)eN3O-O-Ti中的Fe-O-Ti配體可以誘導(dǎo)自旋態(tài)由低向中的轉(zhuǎn)變，并優(yōu)化O2的吸附。作為概念驗證，采用原子Fe摻雜的聚合物狀量子點與超薄氧官能團(tuán)化的MXene制備催化劑。優(yōu)化后的催化劑表現(xiàn)出比對比組（沒有Fe-O-Ti配體）高5倍的本征活性，在鋅空氣電池中與寬溫域H23/O2陰離子交換膜燃料電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

圖文導(dǎo)讀

圖1.?a)-b) FeN4-O-Ti與FeN3O-O-Ti的相互作用能與電荷密度; c) FeN3O與FeN3O-O-Ti的氧氣吸附能與磁矩；d) 氧氣分子與FeN3O、FeN3O-O-Ti的ICOHP（積分晶體軌道哈密度布居數(shù)）。

圖2.?a) o-MQFe的合成路線；b) TEM; c) AFM; d) HRTEM; e) 球差矯正電鏡圖像；f) HAADF-STEM與相應(yīng)的元素分布圖像。

圖3.?Fe K邊同步輻射X射線相關(guān)表征。

圖4.?不同催化劑的LSV曲線與相應(yīng)的E1/2、塔菲爾斜率；極化與功率密度曲線；鋅空氣電池的比容量；不同溫度下的OCV與峰功率密度；5 mA cm-2電流密度下的恒流循環(huán)穩(wěn)定性；H2/O2陰離子交換膜燃料電池的電化學(xué)性能；性能對比。

圖5.?ORR反應(yīng)的自由能變化與PDOS。

總結(jié)

? ? ??基于DFT計算，研究者們通過在PQD-Fe/Ti3C2Ox界面處引入軸向Fe-O-Ti配體，以調(diào)控Fe中心的自旋態(tài)。與常規(guī)的樣品比較，優(yōu)化的o-MQFe-10:20:5本征的ORR活性得到了很大提升，超過了大多數(shù)已報道的MXene基催化劑與商用化的Pt/C電極。此外，o-MQFe-10:20:5基鋅空氣電池H2/O2陰離子交換膜燃料電池在較寬的溫度范圍內(nèi)可以實現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能。該工作為ORR單原子催化劑的設(shè)計提供了有價值的指導(dǎo)，推動對高效低成本的非貴金屬催化劑的探索。

文獻(xiàn)鏈接

doi.org/10.1002/anie.202117617

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