ACS Catal.: 铁和铜活性位点异质双金属协同作用对电催化氧还原动力学的影响

雨辰

2021-02-06

氧还原反应(ORR)是聚合物电解质燃料电池和金属-空气电池中的关键反应。在这些电化学系统中，铂族金属（PGM）已被广泛用作ORR电催化剂。由于铂族金属的稀缺和材料的成本，非PGM电催化剂被认为是低成本材料生产的理想选择。已经对许多非PGM电催化剂进行了深入研究，例如热解Fe，N掺杂碳（Fe–N–C）催化剂。但是，由于产生了副产物H₂O₂，许多非PGM电催化剂（包括Fe–N–C）仍然存在产物选择性问题。

有鉴于此，北海道大学Masaru Kato和Ichizo Yagi等人，合成了Cu，Fe和N掺杂的碳纳米管（Cu，Fe）–N–CNT的ORR电催化剂。这种杂双金属催化剂可选择性地通过4e^-途径将O₂还原为H₂O。

本文要点

1）报告了在酸性介质中进行ORR的Cu，Fe和N掺杂的碳纳米管（Cu，Fe）–N–CNT的合成，表征和动力学分析。

2）受血红素的CcO双核活性位点和组氨酸配体的铜络合物的启发，将血红素和Cutrz用作金属前体。通过热解由Cutrz([Cu₃II(trz)₃(μ-OH)]Cl₂·6H₂O, trz = 1,2,4-三唑)，氯（原卟啉）铁（hemin）和单壁碳纳米管(SWCNTs)的复合物，合成了双金属（Cu，Fe）-N-CNT电催化剂。SWCNTs能够将大量的催化活性位点固定在单个SWCNT表面上。

3）在酸性介质中电催化ORR和过氧化氢还原反应（HPRR）的动力学分析表明，（Cu，Fe）–N–CNT显示直接4e^–还原O₂为H₂O的速率常数比2e^–还原O₂为H₂O₂的速率常数高两个数量级，而单金属Fe–N–CNT表现出相同的数量级，表明杂金属的协同作用对ORR动力学有很大的影响。

总之，该工作将为开发具有选择性ORR活性位点的异双金属活性位点非PG电催化剂提供了可能性。

参考文献：

Masaru Kato et al. Impact of Heterometallic Cooperativity of Iron and Copper Active Sites on Electrocatalytic Oxygen Reduction Kinetics. ACS Catal., 2021.

DOI: 10.1021/acscatal.0c04753

https://doi.org/10.1021/acscatal.0c04753