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研究内容
为了实现燃料电池的实际应用，开发高效、耐用的无铂（Pt）催化剂至关重要。
北京化工大学曹达鹏教授课题组制备了具有Zn-吡咯-N4部分和丰富介孔结构的原子分散ZnNC催化剂。基于ZnNC的阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）在H2-O2和H2空气（无CO2）中表现出1.63和0.83 W cm-2的超高峰值功率密度，并且在H2空气（不含CO2）和H2-O2中表现出分别超过120和100小时的长期稳定性。相关工作以“Atomically Dispersed Zn-Pyrrolic-N4 Cathode Catalysts for Hydrogen Fuel Cells”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。
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研究要点
要点1.作者通过聚苯胺和氯化铵调节热解成功地合成了具有Zn-吡咯-N4活性中心和丰富分级结构的原子分散ZnNC催化剂。由于ZnNC的高活性Zn-吡咯-N4物种和分级结构，基于ZnNC的AEMFC不仅在200 kPa H2-O2和150 kPa H2空气（无CO2）中分别表现出1.63 W cm-2和0.83 W cm-2的超高峰值功率密度（PPD），而且在H2空气（不含CO2）和H2-O2中表现出超过120小时和100小时的长期耐久性。基于ZnNC的AEMFC在0.65 V时也提供1.17 A cm-2的电流密度，这超过了DOE 2022的AEMFC目标（0.65 V时为1.0 A cm-2）。
要点2.密度泛函（DFT）计算进一步揭示了Zn-吡咯-N4结构是合成的ZnNC催化剂高活性的来源，这成功地解释了为什么先前报告中大多数Zn金属有机骨架（Zn-MOF）衍生的Zn-N-C催化剂没有表现出良好的ORR活性。因为它们主要形成Zn-吡啶-N4部分。
这项工作为设计用于AEMFC的NPM电催化剂提供了一条新的途径，因此加快了氢燃料电池的实际应用。
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研究图文
图1. ZnNC的合成与结构表征。
图2. ZnNC的原子尺度结构表征。
图3. ORR特性和阴离子交换燃料电池（AEMFC）性能。
图4. 燃料电池性能。
图5.（a）优化了Zn-吡啶-N4和Zn-吡咯-N4的结构。（b）Zn-吡啶-N4和Zn-吡咯-N4的氧自由能图，其中高亮线表示速率决定步骤（RDS），数字为热力学超电势（V，单位转换）。（c）Zn-吡啶-N4和Zn-吡咯-N4模型的PDOS图，其中0 eV是费米能级。（d）Zn-吡啶-N4-OH*和Zn-吡咯-N4-OH*的PDOS-COHP图，其中黑线和点线是来自COHP分析的Zn和O的轨道键合和反键合，0 eV是费米能级。
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文献详情
Atomically Dispersed Zn-Pyrrolic-N4 Cathode Catalysts for Hydrogen Fuel Cells
Panpan Sun, Zelong Qiao, Shitao Wang, Danyang Li, Xuerui Liu, Qinghua Zhang, Lirong Zheng, Zhongbin Zhuang, Dapeng Cao*
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI:10.1002/anie.202216041
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