近日，中科院青岛生物能源与过程研究所研究员梁汉璞研究组开发出一种步骤简单、过程环保的合成方法，制备出具有氮掺杂的多孔碳纳米棒负载的铁单原子催化剂。该方法实现了在水系中合成具有铁均匀掺杂的金属有机框架材料前驱体，后续经过一步高温热解，在不需要酸洗处理的情况下即可获得高度均匀分散的铁单原子催化剂。该催化剂展现了优良的氧还原催化活性和长时间稳定性。相关成果近期发表于《美国化学会—可持续化学与工程》。
据了解，铁掺杂的锌基有机金属框架结构(ZIF)材料在高温热解过程中会形成多孔碳载体负载的Fe-Nx活性中心，因此ZIF材料被认为是合成Fe-Nx/C催化剂的合适前驱体。然而，现阶段在合成ZIF前驱体及衍生获得Fe-Nx/C单原子催化剂时，通常需要用有毒溶剂(如DMF、甲醇)和强酸清洗，对环境危害较大且极大限制了过渡金属单原子催化剂的规模化合成和进一步的实际应用。
在碱性介质中，课题组制备的具有氮掺杂的多孔碳纳米棒负载的铁单原子催化剂，其起始电位和半波电位比商业Pt/C催化剂分别高出了30mV和60mV。经过20小时的稳定性测试，商业Pt/C催化剂损失达到了53%，而合成催化剂仅损失5%。在酸性介质中，其也展现出较好的催化性能。
当其作为负极材料组装到锌空电池当中，实现了142mW cm-2的高功率密度，比商业Pt/C电池高出了近58mW cm-2，并优于大多数已经报道的过渡金属单原子催化剂。
相关论文信息：
https://dx.doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c05509