ACS Nano|非贵金属燃料电池催化剂制备及表征【附仪器清单】

　　仪器信息网讯 近日，昆明理工大学分析测试研究中心杨喜昆课题组在非贵金属燃料电池催化剂制备及机理研究方面取得重要进展，相关研究成果以《Bottom-Up Construction of Active Sites in a Cu-N₄-C Catalyst for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction》为题，在国际期刊ACS Nano上发表。(ACS Nano为美国化学会(ACS)旗下顶级学术期刊，影响因子13.709)

　　非贵金属(M-N-C)碳基催化剂具有替代Pt催化剂作为燃料电池阴极氧还原反应(ORR)催化剂的潜力，但制备高活性M-N-C碳基催化剂及表征其活性位结构是非常困难的。课题组通过设计一个含有M-N_x配位结构特征的小分子进入碳材料中，从而自下而上的制备出活性位结构明确的Cu-N₄-C催化剂(见下图)。运用原子分辨率的球差校正扫描透射电镜(Aberration-Corrected STEM) 、X射线吸收精细结构谱(XAFS)及飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)，证实Cu以单原子分散在石墨烯中以及Cu-N₄活性中心的配位结构，并用X射线光电子能谱(XPS)、电化学和理论计算方法证实Cu-N4接在石墨烯片锯齿/椅型边形成的活性位是最有效的ORR活性位，且Cu中心的电子结构与O₂分子的反键π*轨道有好的对称性。该项工作从原子或分子水平上阐明了催化活性位及活性位结构的调控机制，为设计发展新型非贵金属碳基燃料电池催化剂提供了理论指导。论文Aberration-Corrected STEM、XAFS及ToF-SIMS测试得到合作单位沈阳金属所，上海光源及清华大学的支持。

　　论文中使用的部分表征仪器详情清单如下表：

　　论文部分图片及表征结果图如下：

自下而上的制备出活性位结构明确的Cu-N₄-C催化剂

Cu-N₄ -C和N-C材料的形态和结构表征

Cu-N₄ -C，CuPc，Cu，Cu₂O及CuO的XPS和XAFS分析

Cu-N₄ -C和N-C材料的ToF-SIMS分析

Cu-N₄ -C材料的三种模型分子及其优化结构

Cu-N₄-C，N-C和Pt / C催化剂的ORR性能和Cu-N₄-C催化剂中不同的Cu(内部)/ Cu(边缘)比对应的ORR结果

三种模型的HOMO的电子云，CuPc和O₂分子

　　论文第一作者李卫是昆明理工大学材料科学与工程学院2016级博士研究生，通讯作者为分析测试中心教授级高工杨喜昆，理论计算部分由分析测试研究中心副教授闵春刚完成。昆明理工大学为第一作者及唯一通讯作者单位。论文所有实验设计构思均由昆明理工大学人员独立完成。该研究工作得到国家自然科学基金面上项目(51374117)、国家自然科学基金地区基金(21363012, 11764026和51764030)等项目支持。