螺旋状Mn-N-C催化剂的制备、单原子数量调控与ORR性能研究
研究背景
金属和氮共掺的碳材料（M-N-C）由于其可控的电子和几何学特性被认为是最有前途的非贵金属ORR催化剂之一，尤其是单原子M-N-C催化剂的发展更为迅猛，它的成本低，原子利用率高，配位环境可调可控。其中传统的Fe-N-C和Co-N-C由于容易受到H2O2攻击而导致催化剂稳定性差，而Mn是一种基本不发生芬顿反应的过渡金属，同时Mn的引入能提高碳材料的石墨化程度，降低碳载体腐蚀，因此Mn-N-C材料理论上会是一种极其稳定的催化剂。此外，螺旋状是自然界一种非常特殊的结构，一般存在于DNA、蛋白质和氨基酸等，它因为能提供大的比表面积和丰富的表面凹槽，所以理论上是一种完美的增加活性位点数量的催化剂基体。
Engineering single MnN4 atomic active sites on polydopamine-modified helical carbon tubes towards efficient oxygen reduction
Han Tian, Xiangzhi Cui*, Hongliang Dong, Ge Meng, Fantao Kong, Yafeng Chen, Lingxin Peng, Chang Chen, Ziwei Chang, Jianlin Shi*
Energy Storage Materials 37 (2021) 274-282. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.02.017
本文亮点
1、合成了一种新颖的螺旋状单原子Mn-N-C材料。
2、提出采用聚多巴胺的保护和调节来增加单原子Mn活性位数量的方法。
3、DFT计算证实了碱性环境下各种MnNxC4-x配位结构中，MnN4的活性最高。
内容简介
国科大杭州高等研究院的崔香枝教授报道了一种简单的两步合成法，成功制备出一种新颖的螺旋形貌的单原子Mn-N-C电催化剂，具有可与商业Pt/C相比拟的ORR性能。另外，作者发现聚多巴胺的引入能够增加Mn活性位点数量和提高催化剂稳定性。多巴胺作为一种含有邻苯二酚和胺基团的贻贝类物质，能够氧化和自聚合生成聚多巴胺，它能附着或者包裹在多种材料的表面，另一方面它又能和金属离子成键，起到螯合剂的作用。受此启发，该工作制备出了ORR性能和锌-空气电池性能优异的螺旋状Mn-N-C催化剂，并且通过聚多巴胺的调节和保护增加了单原子Mn位点的数量；并进一步通过DFT计算证实了MnN4配位的活性位点是碱性电解质中高ORR活性的来源。在锌-空气电池测试中，以该Mn-N-C作为阴极的锌空电池最大功率密度可达到122.7 mW cm-2，甚至高于商业Pt/C阴极的 (116.5 mW cm-2)，且在90 h的充放电循环中保持了良好的稳定性。
