复旦大学张黎明Nano Letters：二维共价骨架衍生的过渡金属单原子位点催化剂实现高效氧还原

随着化石能源需求的增加和全球环境的恶化，开发可替代的绿色可再生资源已成为最紧迫的任务之一，值得关注。氢/空气质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、输出功率高、环境友好等特点，是一种很有前景的能源转换装置。对于PEMFC的商业应用，一个关键的挑战是用于氧还原反应(ORR)的Pt催化剂成本高、稳定性差、甲醇耐受性差。因此，对于燃料电池的大规模实际应用而言，探索高效且稳定的非贵金属ORR催化剂势在必行。

基于此，复旦大学张黎明等人展示了一种超薄有机金属骨架模板辅助热解策略，可以合成具有独特二维(2D)结构的单原子位点催化剂(SASCs)。电化学测试表明，Fe-SASCs在碱性介质中表现出优异的ORR活性，具有与商业Pt/C相当的半波电位和扩散限制电流密度。

复旦大学张黎明Nano Letters：二维共价骨架衍生的过渡金属单原子位点催化剂实现高效氧还原

本文研究了Fe-N-C单位点催化剂在O₂饱和的0.1 M KOH中的ORR活性。首先本文在N₂和O₂饱和的电解质中测试了催化剂的循环伏安(CV)曲线，在O₂饱和的环境中，在0.95 V vs RHE时可以观察到催化剂的阴极电流增加，而在N₂饱和的情况下却具有无特征的CV曲线，这表明Fe-N-C在碱性介质中具有一定的ORR活性。

之后，本文还考察了热解温度对催化剂ORR性能的影响，研究结果表明700℃是使催化剂具有最佳ORR性能的退火条件。线性扫描伏安法(LSV)曲线表明，在700℃下热解的Fe-N-C表现出良好的电催化活性，其半波电位(E_1/2)为0.85 V，扩散限制电流密度(J)为5.6 mA cm^-2，可以与商业Pt/C(E_1/2=0.84 V vs RHE，J=5.5 mA cm^-2)相对比，且优于相同条件下的Co-N-C(E_1/2=0.80 V vs RHE，J=5.0 mA cm^-2)和Ni-N-C(E_1/2=0.73 V vs RHE，J=3.9 mA cm^-2)。

值得注意的是，Fe-N-C的Tafel斜率为55 mV dec^-1，这比商业Pt/C的斜率要小，Tafel斜率也表明Fe-N-C催化的第一个电子转移是速率决定步骤(RDS)。更重要的是，Fe-N-C的稳定性和甲醇耐受性甚至优于Pt/C，而且当Fe-N-C作为锌空气电池阴极催化剂时，锌空气电池的最大功率密度为142 mW cm^-2，电流密度为235 mA cm^-2，具有很大的实际应用潜力。

综上所述，本研究通过以石墨烯为载体的超薄有机金属骨架为模板，合成了用于ORR和锌-空气电池的二维原子分散过渡金属电催化剂。值得注意的是，本文的制备策略是通用的，而不仅仅局限于Fe，Co和Ni核。

具体来说，Fe-N-C在700℃热解后，在碱性介质中表现出最高的ORR性能，具有优异的长期稳定性和甲醇耐受性，远远优于商业化的Pt/C催化剂。Fe-N-C优异的ORR性能归因于高度分散和完全可及的金属核，以及增强电子传递性能的二维载体。该催化剂在锌-空气电池中显示出较高的峰值功率密度和电流密度，与目前最先进的Pt/C商业催化剂相当，具有良好的实际应用前景。

Two-dimensional covalent framework derived nonprecious transition metal single-atomic-site electrocatalyst toward high-efficiency oxygen reduction, Nano Letters, 2023, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00133.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00133.

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