日前，鄭州大學材料科學與工程學院張佳楠教授課題組在原子級非貴金屬催化劑方面取得新進展。相關(guān)成果以“Regulating Fe-Spin State by Atomically Dispersed Mn-N in Fe-N-C Catalysts with High Oxygen Reduction Activity”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上，論文第一作者為材料科學與工程學院碩士研究生楊鴿鴿，通訊作者為材料科學與工程學院張佳楠教授和武漢理工大學木士春教授，鄭州大學為第一通訊單位。

近年來，隨著化石燃料資源的日益枯竭，氫燃料電池和金屬空氣電池等可再生能源轉(zhuǎn)換設(shè)備受到重視。氧還原反應(yīng)（ORR）作為這些可再生能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的核心反應(yīng)之一也受到了廣泛關(guān)注。研發(fā)出高效、穩(wěn)定、低成本的氧還原電催化劑在實際應(yīng)用方面具有重要意義。目前最有效的氧還原催化劑是鉑基貴金屬材料，但其較高的成本和極低的自然豐度極大地阻礙了氫燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用。因此，發(fā)展非貴金屬氧還原電催化劑就迫在眉睫。非貴金屬材料中原子級分散的金屬-氮-碳催化劑在低成本、原子利用率高、化學性質(zhì)活躍、電子結(jié)構(gòu)可調(diào)等方面?zhèn)涫荜P(guān)注。近年來，F(xiàn)e-N-C類型的催化劑在氫燃料電池應(yīng)用的氧還原反應(yīng)中大放異彩，盡管性能有了進一步提高，但其真正機理仍存在爭議。針對這些問題，張佳楠教授課題組通過固相高溫熱解法合理設(shè)計并合成出了雙金屬原子分散的Fe，Mn/NC催化劑。電催化測試表明在酸性和堿性介質(zhì)中均具有優(yōu)異的氧還原性能。該工作從電子自旋角度對催化機理進行解釋，為Fe-N-C活性位上的氧還原過程帶來了新的見解，對金屬-氮-碳在燃料電池應(yīng)用方面做出了重大貢獻，無疑引領(lǐng)了對高效低成本非貴金屬催化劑的探索。

該研究得到了國家自然科學基金、河南省高層次人才、河南省教育廳創(chuàng)新人才，鄭州大學青年科技創(chuàng)新專項基金等的支持。

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-21919-5

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21919-5