Nanotechnology编辑优选：衍生自金属三唑骨架的具有分级孔隙的高效Mn-N-C氧还原催化剂
文章介绍
Huiying Wang(王慧莹), Ziyan Kong(孔紫嫣), Minghao Wang(王明浩), Bing Huang(黄兵) and Lunhui Guan(官轮辉)
通讯作者：
- 官轮辉，中国科学院福建物质结构研究所
研究背景：
燃料电池和锌空气电池等电能转换装置经常使用金属-氮-碳(M-N-C)催化剂代替稀缺和昂贵的铂基催化剂用于氧还原反应。金属有机骨架(Metal-organic frameworks, MOFs)是多孔晶体材料的一个分支，可作为碳网络前驱体/自牺牲载体，通过热解制备M-N-C催化剂。然而，MOFs的碳化处理会导致各种价态的金属氧化物颗粒产生，烧结团聚或碳骨架坍塌等情况。因此，制备孔道结构丰富且结构稳定的前驱体，可显著提高金属-氮-碳(M-N-C)催化剂的活性位点密度和位点利用率。
研究内容：
本文提出一步热解金属三唑骨架MET以形成富氮的分层多孔碳网络。分层孔隙结构使锰离子均匀分散，减少一般热解产生的烧结团聚和金属氧化物的形成。同时，多孔碳前驱体可有效提高提高导电性，加快质子转移和物质运输速度。其活性和稳定性优于大部分已报道MOF衍生的Mn基催化剂。本工作通过设计MOFs作为碳基体和样品热解处理选择，可推广到其他MOFs基催化剂的制备。
图1 (a) Mn-N-C-35催化剂的合成过程示意图；(b) MET和(c) Mn-MET-35的SEM图像；(d) Mn-N-C-35催化剂的HR-TEM图像和(e, f) Mn-N-C-35催化剂的TEM图像;(g) Mn-N-C-35催化剂的HAADF-STEM图像和相应的EDS元素映射图像。
要点：
- 通过一步热解大批量制备Mn原子高度分散的氧还原电催化剂， SEM图像(图1b-c)显示催化剂粒径大小均一且具有完美的八面体结构。STEM图像（图1d-g）表明C、N、O、Mn元素分布均匀，没有明显的金属簇及金属氧化物。
图2 (a) Mn-MET-X的热重图像；(b) Mn-MET-X的孔径分布图SEM图像；(c) Mn-MET-X中氮的种类和含量。
- Mn-N-C-35的比表面和微孔表面积分别为1182和397 m2·g-1。它的高孔隙率是由于MET中的三氮唑配体高温热解时大量分解和释放气体，在没有额外造孔剂的条件下形成分层多孔的碳骨架。从孔径分布图可知，催化剂的表面积增大是由于介孔结构的改善，Mn-N-C-35介孔体积高达0.86。
图3 (a-f) Mn-N-C-X在酸性和碱性条件下ORR活性和性能；(g-f) Mn-N-C-35催化剂的锌空气电池性能。
- Mn-N-C-35催化剂显示出优异的电化学活性和稳定性。酸性条件下半波电位为0.78 V，5000圈循环后仅损失6 mV,稳定性测试后能较好的保持八面体形貌；碱性条件下半波电位为0.92 V，高于商业Pt-C, 5000圈循环后没有损失。并且催化剂在酸性和碱性中分别表现出最低的Tafel斜率——56.01和43.11 mV dec-1，说明了丰富的孔道结构加速了ORR动力学。在锌空气电池测试中，ORR活性得到证实，其最大功率密度为176 mW cm-2，比容量为655 mAh g-1，表现出优异的稳定性。
作者介绍
- 官轮辉研究员，2001年7月毕业于北京大学化学与分子工程学院，获学士学位；2006年7月毕业于北京大学化学与分子工程学院，获博士学位；2006至2007年于日本产业技术综合研究所任日本学术振兴会（JSPS）特别研究员；2007年8月起任中科院福建物质结构研究所研究员。在碳纳米基新能源关键材料领域开展应用基础研究、关键共性技术和工程产业化技术研发和示范应用工作，以通讯作者身份在发表130篇研究论文。
期刊介绍
- 2022年影响因子：3.5 Citescore：6.7
- Nanotechnology（NANO）创刊于1990年，是第一本纳米科研和技术领域的专业期刊。NANO发表纳米技术研究发展前沿的高水平研究论文及纳米研究进展的综述，主要集中在纳米能源、生物和医学、电子和光子、图案和纳米加工、传感和驱动、材料合成和材料性能等领域。