氧還原反應（ORR）是系列電化學能量轉換器件（如金屬-空氣電池、燃料電池）中的重要陰極反應。商業上，主要選用鉑（Pt）基材料作為ORR電催化劑驅動反應進行。而Pt金屬儲量稀少、價格高昂，不利于大規模應用。因此，開發性能優異且價格低廉的非貴金屬催化劑變得尤為重要。當前，碳基負載的鐵單原子催化劑（Fe SACs）作為非貴金屬催化劑，被認為是商業Pt基催化劑最有潛力的替代品之一。金屬有機骨架材料（MOFs）因高的比表面積特性，是制備Fe SACs常用前驅體。然而，目前所報道的大部分MOF衍生的催化劑孔道結構多以微孔為主，存在傳質差和大量催化位點在微孔內難以參與反應的問題。為了充分利用活性位點，在催化劑中構筑大量介孔結構有望改善傳質，并提高活性位點利用率。
中國科學院理化技術研究所研究員張鐵銳課題組以富含介孔籠（介孔尺寸為2-3 nm）的金屬有機框架材料MIL-101為前驅體，設計合成了具有介孔結構的鐵單原子催化劑（Fe SAC-MIL-101），有效提高活性位點的利用率，實現了高效驅動ORR。相關研究結果以MIL-101-Derived Mesoporous Carbon Supporting Highly Exposed Fe Single-Atom Sites as Efficient Oxygen Reduction Reaction Catalysts為題，發表在Advanced Materials上。研究人員通過球差電鏡觀測到，Fe原子在碳載體上呈現高密度的原子級分布，擴展X射線吸收精細結構（EXAFS）和擬合結果證實，單個鐵原子周圍配位四個氮原子，類似于自然界氧化酶的活性中心卟啉結構。透射電鏡和孔徑分布表明，所制備的鐵單原子催化劑含有豐富的介孔，可以有效促進氧氣與質子快速傳輸到催化活性位點上，提高活性位點的利用率。為了證實介孔結構對活性位點利用率的有利影響，研究人員同時以另一種常用的金屬有機框架材料（ZIF-8）為前驅體，制備了富含微孔的鐵單原子催化劑（Fe SAC-ZIF8-1000）作為對照組。實驗結果表明，在鐵載量接近的情況下，Fe SAC-MIL101-1000在堿性條件下的ORR活性（半波電位高達0.94 V）遠勝于Fe SAC-ZIF8-1000（0.87 V）和商業Pt/C催化劑（0.87 V）。由于該催化劑優異的催化活性和快速的動力學特征，將其應用于鋅空氣電池空氣電極的陰極催化劑時，大幅優化了鋅空氣電池的能量輸出，能量密度可達理論值的91%（984.2 Wh kg-1）。Fe SAC-MIL101-1000在固態鋅空電池中也展示了優異的能量轉化特性，功率密度達50.6 mW cm-2，有望應用于可穿戴器件領域。該研究對于通過調控催化劑孔結構設計高效ORR催化劑具有借鑒意義。
理化所博士后謝小英為論文第一作者，張鐵銳和項目研究員尚露為論文共同通訊作者。
MIL-101基多孔鐵單原子氧還原催化劑制備流程圖
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