S掺杂Fe-NC单原子催化剂氧还原机理研究

发布时间：2021-02-22 12:19

　　杂原子掺杂的Fe-NC催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能.本工作采用密度泛函理论研究了S原子掺杂对Fe-NC单原子催化剂电子结构的调控及促进氧还原反应的作用机理,分析了硫原子掺杂后Fe-NC催化剂的稳定构型, S原子对FeN4活性位点电子结构的调控,以及氧气的吸附和氧还原反应作用机理.研究结果表明,在FeN4活性位点周围掺杂少量S原子,可以提高催化剂的稳定性. S原子掺杂提高氧还原性能的机理为:（1） S原子的掺杂降低了催化剂的带隙,提高催化剂导电性,有利于电催化氧还原反应;（2） S原子的掺杂可以提高催化剂吸附氧气的能力,有利于氧还原反应;（3）体系中引入四个S原子可以降低氧还原反应的过电位,提高FeN4位点催化氧还原反应的活性.这项工作可能为基于碳材料的单原子催化剂上杂原子掺杂的调控提供新的思路. 

【文章来源】：化学学报. 2020,78(09)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

Fe N4及硫原子掺杂结构示意图

催化剂对氧气的吸附能力对催化剂整体氧还原性能至关重要.氧气在不同催化剂表面的吸附构型和吸附能如图3所示.我们发现了两种氧气吸附构型,分别命名为side-on和end-on吸附构型.在side-on吸附构型中,O2分子中的两个氧原子都与基底成键,在end-on吸附构型中,氧气分子竖直吸附在催化剂表面,其中的一个氧原子与催化剂相连.在Fe N4表面,氧气在催化剂表面倾向于以end-on构型吸附,吸附能为-2.03 e V,其side-on吸附构型的吸附能为-1.93 e V.相比于在Fe N4催化剂表面的吸附,氧气在Fe NS1催化剂表面的吸附更稳定,表明在Fe N4催化剂表面引入一个S原子掺杂可以提高氧气的吸附能力,从而提高氧气分子的活化性能.计算结果表明,一个S原子掺杂的催化剂中,氧气倾向于以side-on吸附构型吸附在催化剂表面,在Fe NS1a催化剂上,其吸附能为-2.18 e V,继续增加S原子掺杂的比例,相比于掺杂一个S原子的催化剂,氧气的吸附能降低.在Fe NS2催化剂表面,氧气倾向于side-on吸附构型,其吸附能为-2.16 e V,氧气以end-on构型吸附的吸附能为-2.06 e V.在Fe NS3催化剂表面,氧气只有end-on吸附构型,其吸附能为-1.97 e V,吸附能低于氧气在Fe N4催化剂表面的吸附能.在Fe NS4催化剂表面,氧气的吸附构型为end-on,吸附能为-1.97 e V.氧气在S原子掺杂Fe-NC催化剂表面的吸附研究表明,引入少量的S原子掺杂可以提高催化剂吸附氧气的能力,提高S原子掺杂比例,将降低其对氧气的吸附能力.图3 氧气可能吸附构型

氧气可能吸附构型

【参考文献】：
期刊论文
[1]自交联聚乙烯亚胺-聚砜高温质子交换膜研究[J]. 赵伟辰,徐鑫,白慧娟,张劲,卢善富,相艳.  化学学报. 2020(01)
[2]铂基燃料电池氧还原反应催化剂研究进展[J]. 李静,冯欣,魏子栋.  电化学. 2018(06)
[3]活性位高度暴露的钴/氮/碳电催化剂的构建及氧还原性能研究[J]. 张志琦,葛承宣,陈玉刚,吴强,杨立军,王喜章,胡征.  化学学报. 2019(01)
[4]铁镍合金纳米颗粒镶嵌的多级孔氮掺杂碳催化剂的制备及析氧性能研究[J]. 王艺霖,王敏杰,李静,魏子栋.  化学学报. 2019(01)
[5]酞菁钴催化剂载体表面含氮官能团对其在燃料电池中氧还原性能的影响[J]. 黄文姣,张浩宇,胡硕真,钮东方,张新胜.  化学学报. 2018(09)



本文编号：3045985