【文章信息】
碳载体上分散的原子Mn-(N-C2)2(O-C2)2位点被用于高效氧还原反应的研究
第一作者：宗令波
通讯作者：赵惠军教授、王磊教授以及刘珀润教授
研究单位：青岛科技大学、澳大利亚格里菲斯大学
【研究背景】
碳载体上锚定的过渡金属单原子电催化剂（TM-SAEC）由于其在氧还原反应（ORR）中的优异催化活性以及易于调节的电子结构，已成为一种新型电催化剂。目前，多种过渡金属如Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ru已成功锚定在石墨碳上并用作ORR SAEC。对于具有Mn-N4配位构型的ORR SAEC，其对于ORR中间体的结合强度较大，不利于中间产物的脱附。合理设计催化剂的结构对于提高单原子活性位点的利用率及其ORR性能至关重要。
【文章简介】
最近，青岛科技大学的王磊教授与澳大利亚格里菲斯大学的赵惠军教授和刘珀润教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表了一篇题为“碳载体上原子分散的Mn-(N-C2)2(O-C2)2位点用于高效氧还原反应”的文章。该研究通过结合溶胶-凝胶法和碳化技术，将Mn单原子可控地锚定在石墨碳纳米片上。通过N和O的配位形成的Mn-(N-C2)2(O-C2)2活性位点有效降低了中间体的吸附强度。所合成的Mn-SA@CNSs电催化剂展现出出色的ORR催化性能。该研究还揭示了N和O配位对单原子电催化剂中心金属原子的微观配位环境的影响力，为可控构建高性能单原子电催化剂提供了新的理论指导。
【本文要点】
要点一：利用N和O原子配位锚定过渡金属Mn原子以构建单原子电催化剂的策略
图1. Mn-SA@CNSs的制备流程以及材料形貌表征。
图2. Mn-SA@CNSs的精细结构表征。
通过溶胶-凝胶法制造含有Mn2+的水凝胶，经过冷冻干燥得到干凝胶。接着对干凝胶进行碳化处理，在此过程中将Mn原子锚定在富含N和O杂原子的碳载体上。通过球差校正电镜及同步辐射证明单原子Mn以Mn-(N-C2)2(O-C2)2的形式存在于Mn-SA@CNSs中。
要点二：评估电催化氧还原性能
其优异的电催化性能主要归因于以下两点：
1. 碳化后的干凝胶碳载体具有较大的表面积以及丰富的孔结构，有利于物质传输；
2. N和O的配位能够改变金属中心的微观配位环境，从而调节Mn-SA位点上的ORR中间体的结合强度，导致能垒显著降低和ORR活性增强。
图3. Mn-SA@CNSs的电催化氧化还愿性能的评估。