氧还原反应（orr）是系列电化学能量转换器件（如金属-空气电池、燃料电池）中的重要阴极反应。商业上，主要选用铂（pt）基材料作为orr电催化剂驱动反应进行。而pt金属储量稀少、价格高昂，不利于大规模应用。因此，开发性能优异且价格低廉的非贵金属催化剂变得尤为重要。当前，碳基负载的铁单原子催化剂（fesacs）作为非贵金属催化剂，被认为是商业pt基催化剂最有潜力的替代品之一。金属有机骨架材料（mofs）因高的比表面积特性，是制备fesacs常用前驱体。然而，目前所报道的大部分mof衍生的催化剂孔道结构多以微孔为主，存在传质差和大量催化位点在微孔内难以参与反应的问题。为了充分利用活性位点，在催化剂中构筑大量介孔结构有望改善传质，并提高活性位点利用率。
中国科学院理化技术研究所研究员张铁锐课题组以富含介孔笼（介孔尺寸为2-3nm）的金属有机框架材料mil-101为前驱体，设计合成了具有介孔结构的铁单原子催化剂（fesac-mil-101），有效提高活性位点的利用率，实现了高效驱动orr。相关研究结果以mil-101-derived mesoporous carbon supporting highly exposed fe single-atom sites as efficient oxygen reduction reaction catalysts为题，发表在advanced materials上。研究人员通过球差电镜观测到，fe原子在碳载体上呈现高密度的原子级分布，扩展x射线吸收精细结构（exafs）和拟合结果证实，单个铁原子周围配位四个氮原子，类似于自然界氧化酶的活性中心卟啉结构。透射电镜和孔径分布表明，所制备的铁单原子催化剂含有丰富的介孔，可以有效促进氧气与质子快速传输到催化活性位点上，提高活性位点的利用率。为了证实介孔结构对活性位点利用率的有利影响，研究人员同时以另一种常用的金属有机框架材料（zif-8）为前驱体，制备了富含微孔的铁单原子催化剂（fesac-zif8-1000）作为对照组。实验结果表明，在铁载量接近的情况下，fesac-mil101-1000在碱性条件下的orr活性（半波电位高达0.94v）远胜于fesac-zif8-1000（0.87v）和商业pt/c催化剂（0.87v）。由于该催化剂优异的催化活性和快速的动力学特征，将其应用于锌空气电池空气电极的阴极催化剂时，大幅优化了锌空气电池的能量输出，能量密度可达理论值的91%（984.2whkg-1）。fesac-mil101-1000在固态锌空电池中也展示了优异的能量转化特性，功率密度达50.6mwcm-2，有望应用于可穿戴器件领域。该研究对于通过调控催化剂孔结构设计高效orr催化剂具有借鉴意义。
理化所后谢小英为论文第一作者，张铁锐和项目研究员尚露为论文共同通讯作者。
mil-101基多孔铁单原子氧还原催化剂制备流程图
研究团队单位：理化技术研究所
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