本站讯 近期，中国海洋大学材料科学与工程学院黄明华教授课题组在高效稳定的原子级电催化材料研究方面取得了系列进展。相关成果“Manipulation of new married edge-adjacent Fe2N5 catalysts and identification of active species for oxygen reduction in wide pH range”（新型边缘Fe2N5催化剂的设计及宽pH范围氧还原活性位点的识别）、“Engineering solid-liquid-gas interfaces of single-atom cobalt catalyst for enhancing the robust stability of neutral Zn-air batteries under high current density”（单原子钴催化剂助力中性锌-空气电池实现大电流密度下的长期稳定性）和“Strong electronic coupling between ruthenium single atoms and ultrafine nanoclusters enables economical and effective hydrogen production”（钌单原子和超细纳米团簇之间的强电子耦合助力经济高效产氢）分别在Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal和Applied Catalysis B: Environmental等国际顶尖材料和能源领域期刊上发表。
推动能源绿色转型、实现“双碳”目标是落实国家重大战略的需要，开发清洁高效的氢燃料电池、金属空气电池以及电解（海）水制氢等能源转化技术与装置成为了绿色氢能经济发展的重要途径。氧反应以及氢析出反应是这些技术中的核心反应，涉及到多质子-电子耦合过程，动力学缓慢，故亟需发展“大规模、低能耗、高稳定性”三者统一的廉价电催化材料以提高其转换效率。目前贵金属纳米催化材料（Pt/C、RuO2）价格高、储量有限且稳定性较差，极大地制约了这些新能源技术的商业化进程。
针对上述问题，黄明华教授课题组坚持致力于将国家重大需求与应用基础研究相结合，重点研究电解（海）水制氢和燃料电池、锌空气电池的关键材料与技术。鉴于原子级分散电催化材料具有优异的本征活性及最大化的原子利用率等优势，该课题组深耕原子级分散催化剂结构的精细调控及催化活性位点的识别，通过与中国科技大学等单位合作开发出高密度石墨N位点与原子级Fe2N5结构共存的氧还原电催化材料，其在宽pH内均展现优异的催化活性、长期稳定性和甲醇耐受性。该工作精确定位了不同pH介质中的活性物种，为理性设计先进氧还原催化材料提供了重要见解（Adv. Funct. Mater.2022, 2111835）。同时，该课题组制备了一种独特的分等级多孔碳负载的单原子钴催化剂，展示出合适的疏水/亲水表面及丰富的原子级CoN4活性中心，实现了中性锌空气电池在大电流密度下的长期稳定性（Chem. Eng. J. 2022, 433, 133685）。此外，该课题组联合中科院青岛生物能源与过程研究所等单位开发出一种氮掺杂介孔碳负载钌单原子和纳米团簇材料，可以在低过电位下实现工业级大电流密度电解水制氢的性能（> 500 mA cm-2），拥有比商业Pt/C更高的质量活性和更低的制氢成本，展示出在工业电解水高通量制氢应用中良好的应用潜力，为构筑低成本高效稳定的原子级电催化析氢材料提供了新思路（Appl. Catal. B: Environ. 2022, 312, 121378）。
图1 铁基原子级催化材料的制备流程、微观形貌及活性物种识别示意图
图文：姚涵旭
