第一作者：周荃、楊岳

通訊作者：薛同、劉一蒲、李華

通訊單位：北方民族大學，海南大學，蘭州大學

【研究亮點】

1. 合成了富石墨氮碳 (graphitic NC) 骨架為載體的Fe3C氧還原催化劑，Fe3C納米顆粒（6-10 納米）被碳層包覆。

2. Fe3C@NC復合材料中，氮具有多種存在形式，DFT計算表明，石墨氮具有最高的活性。

3. 通過在碳骨架中增加石墨氮的含量，提高了Fe3C@NC 的ORR反應活性。

【研究背景】

將金屬基催化活性材料與氮摻雜碳結構相結合是設計高性能電催化劑的有效策略。碳骨架中的氮對于調節復合材料的電子結構方面具有重要作用。氮在碳結構中存在不同的形式，然而，氮的不同存在形式對整體催化活性的貢獻程度依舊是不明確的。

鑒于此，最近北方民族大學薛同，海南大學劉一蒲和蘭州大學李華合作研發了一種以石墨氮為主要存在形式的Fe3C@NC復合材料，這一材料表現出優異的ORR活性和穩定性。實驗和理論計算均證實了NC對Fe3C性能的促進作用。此外，石墨氮在不同的氮存在形式中表現出最高的催化活性，有效地減少了ORR反應中從O2到*OOH的能壘。將該Fe3C@NC復合材料應用于鋅空氣電池的空氣陰極，其開路電壓可達1.48 V，功率密度為155.6 mW cm-2，且比容量為798 mAh gZn-1。該研究表明，Fe3C和氮摻雜碳在促進ORR催化劑的性能方面具有協同作用，且石墨氮有助于提高Fe3C@NC的ORR活性。

【圖文簡介】

圖1. Fe₃C@NC的形貌表征及其元素分布。

要點1. ZIF-8衍生的氮摻雜碳具有石墨層結構，Fe3C納米顆粒被包裹在石墨層中。Fe3C納米顆粒的催化行為有助于碳化物周圍石墨層的生長。HAADF Fe證實了Fe元素主要存在于Fe3C@NC的Fe3C納米顆粒中。

圖2.晶體結構和化學態分析。

圖3. 表面結構的ORR的DFT理論計算。

要點2. 通過XPS定量分析中，石墨氮在NC中占主導地位。DFT理論計算表明，石墨氮與吡啶氮和吡咯氮相比，表現出最高的ORR性能。

圖4.Fe₃C@NC在堿性體系中的ORR性能。

圖5. 使用Fe₃C@NC作為鋅空氣電池陰極的性能表征。

要點3. 電化學數據表明，Fe3C@NC電極表現出優秀的ORR活性。組裝鋅空電池性能和其它鐵基催化劑的鋅空電池表現出更低的過電位，更高的輸出電壓和功率密度（見圖五中的雷達圖）。

【小結】

Fe3C@NC的ORR活性是由以下三個因素造成的。

1、Fe3C本征活性。

2、Fe3C和NC之間的協同效應: 被包裹的Fe3C納米顆粒通過相互的電子作用激活周圍的石墨層，使石墨層的外表面對ORR具有活性。

3、石墨氮在NC中的主導地位為Fe3C@NC復合材料貢獻了最高的ORR活性。

【原文鏈接】

Graphitic-Nitrogen-Enriched Carbon {attr}3206{/attr} with Embedment of Fe3C for Superior Performance Air Cathode in Zinc-air Battery, https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101194

【作者簡介】

薛同，副教授，北方民族大學材料科學與工程學院，碩士生導師。民建寧夏第八屆委員會委員，民建北方民族大學支部主委。本碩均畢業于蘭州大學化學化工學院，導師：力虎林教授。2013年9月畢業于新加坡南洋理工大學化學與生物醫學工程學院，獲得哲學博士學位。導師：Lee Jong Min副教授。2002-2013年任職于寧夏大學化學化工學院，2014年全職進入北方民族大學材料科學與工程學院從事教學科研工作。主要從事水系金屬離子電池，水系混合電容器以及金屬-空氣電池等電化學儲能材料及器件的設計開發等基礎及應用研究。近年來，主持及參與多項國家級及省部級科研項目，并獲得中科院“西部之光”人才培養項目資助。目前在Chem. Eng. J, J. Energy Chem., Mater Today Energy, J. Power Sources, Ind. Eng. Chem. Res., Chem. Eng. Sci. 等雜志上發表研究論文20余篇，授權發明專利2項。

劉一蒲，海南大學副教授、碩士生導師。博士畢業于吉林大學，2019年入選國家“博士后國際交流計劃派出項目”，合作導師為吉林大學鄒曉新教授和新加坡南洋理工大學范紅金教授。2021年入職海南大學。以一作/并列一作/通訊聯系人身份在Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等期刊發表論文10余篇，參與發表論文30余篇，總引用超過5000次。

李華，高級工程師，蘭州大學材料與能源學院, 碩士生導師。2006年畢業于蘭州大學化學化工學院分析化學專業，師從力虎林教授。主要研究方向為：納米功能材料的可控合成、原子尺度超微結構電子顯微學表征及其在電化學催化領域和光催化領域的應用研究。迄今在ACS Catalysis, Biosensors&Bioelectronics, J. Energy Chem., Separation and Purification Technology, Nanoscale, Sensors and Actuators B: Chemical, Chemical Communications等國際期刊上發表科研論文30余篇。獲批國家發明專利3項。主持及主要參與科研項目包括：國家自然科學基金重點項目、國際地區合作項目、面上項目、省部級科研項目、企業橫向項目等。