Cu納米團簇修飾碳氣凝膠以提高其電催化性能

李 楊

(山東大學晶體材料國家重點實驗室，山東 濟南 250000)

鋅-空氣電池(ZABs)的能量釋放效率主要取決于其陰極上發生的氧還原反應(ORR)速率。研究發現，過渡金屬修飾的碳材料(TM-N/C)催化劑對于ORR具有理想的催化活性，同時由于巨大的成本優勢和優異的選擇性，成為ZABs陰極材料的最佳選擇之一。此外，Cu元素在ORR中具有優異的催化活性[1]。例如，Wang課題組[2]通過氣相沉積成功制備了具有較高ORR催化活性的Cu單原子碳催化劑。但Cu2+擴散系數較大，容易發生自聚集和表面氧化等[3]，因此目前所報道的Cu基催化劑中，活性物種類型主要為單原子(SAs)或納米顆粒(NPs)。

根據Sabatier原理，具有高效催化活性的催化劑應該對反應物具有適中的親和力(既不太強也不太弱)[4]。在納米顆粒催化劑中，NPs表面結合能很高，與反應物間親和力很強，導致反應產物很難脫附，從而降低了整個反應的催化速率[5]。而在單原子催化劑中，SAs與反應物間親和力太弱，不利于后續復雜反應的發生。此外，單原子催化劑由于缺乏多原子基團位點，因此孤立的單原子很難有效通過側向吸附破壞O-O鍵，從而較難實現4-電子機制，容易形成H2O2或者HO2-等副產物[7]。最新研究發現，由眾多單原子聚集形成的納米團簇具有適中的表面結合能，被認為是更具有潛力的新型催化活性物種。

在此，利用單寧酸(TA)對沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)顆粒的刻蝕作用以及Cu2+與TA之間的螯合作用，以TA作為螯合劑將Cu2+吸附固定在ZIF顆粒表面上，從而有效減少了Cu2+自聚集的發生，得到了負載Cu納米團簇(Cu-NCs)的碳氣凝膠(Cu-NC/CA)催化劑。……