單原子催化劑因其具有最大的原子利用效率、量子尺寸效應(yīng)和活性中心的配位不飽和構(gòu)型而在催化領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在過去的幾年里，單原子催化劑在燃料電池、電解水和金屬-空氣電池等可再生能源技術(shù)領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展。然而，單原子催化劑的活性位點數(shù)量有限，催化劑合成過程相對復(fù)雜，并且大多數(shù)用于合成單原子催化劑載體的化學(xué)品價格昂貴、毒性大，嚴(yán)重限制了單原子催化劑的實際生產(chǎn)應(yīng)用。同時，由于金屬與載體之間的弱相互作用，這些具有高表面能的單原子在制備過程中也容易發(fā)生遷移和聚集。因此，探索環(huán)境友好、廉價且高效的載體以及高金屬載量催化劑的制備工藝對于合成雙金屬單原子催化劑至關(guān)重要。

近日，青島能源所梁漢璞研究員帶領(lǐng)的能源材料與納米催化研究組，在利用可循環(huán)再生的生物質(zhì)制備單原子的基礎(chǔ)上（Carbon， 2020， 157614-621. DOI： 10.1016/j.carbon.2019.10.054.），提出一種價格低廉、環(huán)保且可大規(guī)模生產(chǎn)的Fe/Pt雙單原子催化劑的制備策略（圖1）。該方法以富含鐵的可再生生物質(zhì)紫菜作為原材料，在不添加任何鐵源的情況下，紫菜利用自身毛細(xì)管吸附作用吸收含氮溶液達(dá)到飽和狀態(tài)，再經(jīng)過高溫?zé)峤饧纯傻肍e-N-C前驅(qū)體。之后，在水溶液中通過Fe-N-C的微孔捕獲和氮錨定作用可以實現(xiàn)對Pt4+的強錨定，從而得到Fe/Pt雙單原子催化劑（Fe1Pt1/NC）。該催化劑具有較高的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e和Pt的負(fù)載量分別高達(dá)0.166 wt% 和2.29 wt%。經(jīng)研究證明，第二種金屬原子Pt的引入增加了催化劑的活性位點數(shù)量，F(xiàn)e1Pt1/NC中的Fe和Pt均為單原子態(tài)（圖2），以FeN4和PtN4的結(jié)構(gòu)形成活性中心，使得催化劑具有優(yōu)于Fe-N-C前驅(qū)體和商業(yè)Pt/C催化劑的氧還原反應(yīng)和析氫反應(yīng)的催化活性。

圖1 Fe1Pt1/NC雙單原子催化劑的合成路徑

圖2 Fe1Pt1/NC和Fe1/NC的球差電鏡和EXAF表征圖

該研究工作為利用可再生生物質(zhì)設(shè)計高活性的多功能單原子電催化劑提供了一種有效途徑。相關(guān)成果近期發(fā)表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》雜志上（ACS Sustain. Chem. Eng. 2021， 9， 1， 189–196. DOI： 10.1021/acssuschemeng.0c06558）。

上述研究獲得中國科學(xué)院人才項目基金，大連清潔能源國家實驗室和中國科學(xué)院科研創(chuàng)新基金，青島創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才基金，大連化物所-青島能源所兩所融合項目基金以及中科院綠色過程制造創(chuàng)新研究院項目基金的支持。

責(zé)任編輯：PSY