單原子催化劑因具有較大的原子利用效率、量子尺寸效應和活性中心的配位不飽和構型，在催化領域受到廣泛關注。近年來，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領域快速發展。然而，單原子催化劑的活性位點數量有限，催化劑合成過程相對復雜，且大多數用于合成單原子催化劑載體的化學品價格昂貴、毒性大，限制了單原子催化劑的實際生產應用。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生遷移和聚集。因此，探索環境友好、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十分重要。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員梁漢璞帶領能源材料與納米催化研究組，在利用可循環再生的生物質制備單原子的基礎上（Carbon），提出一種價格低廉、環保且可大規模生產的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，紫菜利用自身毛細管吸附作用吸收含氮溶液達到飽和狀態，再經過高溫熱解即可得Fe-N-C前驅體。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對Pt4+的強錨定，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構，Fe和Pt的負載量分別高達0.166 wt% 和2.29 wt%。研究表明，第二種金屬原子Pt的引入增加了催化劑的活性位點數量，Fe1Pt1/NC中的Fe和Pt均為單原子態（圖2），以FeN4和PtN4的結構形成活性中心，使得催化劑具有優于Fe-N-C前驅體和商業Pt/C催化劑的氧還原反應和析氫反應的催化活性。該研究為利用可再生生物質設計高活性的多功能單原子電催化劑提供了有效途徑。
相關研究成果發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。研究工作得到中科院人才項目基金、大連清潔能源國家實驗室和中科院科研創新基金、青島創業創新領軍人才基金、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新研究院項目基金的支持。
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
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